引言

由于各種新型微處理器的出現和應用的不斷深化，嵌入式系統在后PC時代得到了空前的發展。隨著時間的推移和技術的進步，在工業控制和新興的手持式應用等領域，用戶體驗成為產品成功的關鍵因素之一，越來越多的產品需要良好的用戶界面、互聯功能以及較強的數據處理能力，這對嵌入式處理器硬件、軟件、教學等提出了新的要求。

1 嵌入式處理器與硬件

在處理器方面，目前大量的中、低端嵌入式應用，主要使用8/16位單片機。在國內，由于歷史的原因，主要是以MCS51核為主的許多不同型號單片機，主要廠商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。還有一些近幾年發展較快的新型單片機，如PIC、AVR、MSP430系列等。這些單片機各有特點，但從目前的發展角度來看，單片機針對特定應用領域的個性化發展愈發明顯，典型的例子就是TI公司的MSP430系列16位單片機、ST公司的STM8L系列8位單片機和STM32L系列32位超低功耗單片機。

在嵌入式中的高端應用領域，像工業控制、POS機、網絡設備、圖像處理、手機、PDA等，目前主要使用ARM、 MIPS、PowerPC、DSP等16~64位處理器，以32位處理器為主。各種類型的處理器都有其一定的應用針對性。例如，DSP對數字信號處理技術中用到的常用運算、算法做了優化設計，主要用于實時信號處理領域，如實時音視頻處理、電機控制等。MIPS處理器性能很好，但功耗較大，適合于有交流電源供電的固定應用，如固定的網絡設備、機頂盒等。ARM處理器性能高，功耗低，適合于用電池供電的便攜、手持式設備。由于近幾年便攜、手持式嵌入式應用的高速發展，ARM處理器的增長速度和市場占有率也快速提升，成為目前32位應用中的主力產品。

由于嵌入式應用系統的廣泛性，嵌入式系統的硬件設計涉及的知識面很廣，從模擬到數字、低頻到高頻、小信號到大功率，以及復雜的時序邏輯設計和PCB設計，還要考慮軟硬件資源的合理分配，不僅要有廣而扎實的理論基礎，更需要豐富的實踐經驗。只有對大大小小各種應用系統反復實戰演練，了解新技術、新器件，使用過多種多樣的處理器和模擬/數字器件，才能逐步積累，聚沙成塔，對一個新的應用系統給出快速、合理的硬件方案與設計。

2 ARM處理器的優勢

對于如今大量出現的32位嵌入式應用，以筆者之見，ARM處理器的優勢主要有以下幾個方面。

2.1 高性能、低功耗、低價格

把ARM處理器的性能拿來和一些著名的通用處理器（如Pentium）相比是不合適的，因為他們各自針對的應用需求是不同的。Pentium處理器采用多條指令流水線的超標量結構，追求通用應用目標下的超強性能，功耗大，可以用散熱器加風扇散熱。ARM針對嵌入式應用，在滿足性能要求的前提下，力求最低的功率消耗。ARM結構的優點是能兼顧到性能、功耗、代碼密度、價格等幾個方面，而且做得比較均衡。在性能/功耗比（MIPS/W）方面，ARM 處理器具有業界領先的性能。基于ARM核的芯片價格也很低，目前ARM CortexM的芯片價格可低至10元人民幣左右。

2.2 豐富的可選擇芯片

ARM只是一個核，ARM公司自己不生產芯片，采用授權方式給半導體生產商。目前，全球幾乎所有的半導體廠家都向ARM公司購買了各種ARM 核，配上多種不同的控制器（如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等）和外設、接口，生產各種基于ARM核的芯片。目前，基于ARM核的各種處理器型號有好幾百種，在國內市場上，常見的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等廠家的芯片。用戶可以根據各自的應用需求，從性能、功能等方面考察，在許多具體型號中選擇最合適的芯片來設計自己的應用系統。由于ARM核采用向上兼容的指令系統，用戶開發的軟件可以非常方便地移植到更高的ARM平臺。

2.3 廣泛的第三方支持

以如今的技術，設計一個處理器并非難事，但要使這個處理器得到大家認可，并取得市場成功卻是非常困難的，其中涉及許多技術與非技術的因素和環節，還包括時機、運氣。因為現在許多產品的開發，不是一個簡單的處理器加幾百條指令、語句就可以解決的。要用到32位處理器，一般都要有編譯器、高效的開發工具（仿真器及調試環境）、操作系統、協議棧等，這些東西都不是一個芯片生產商可以解決的，而需要許多第三方的支持。這就像一粒種子，需要土壤、空氣、水等環境才能發芽、成長。這也是我們的一些“中國芯”該反思之處。

ARM通過近20年的培育、發展，得到了廣泛的第三方合作伙伴支持。目前，除通用編譯器GCC，ARM有自己的高效編譯、調試環境（MDK、 Keil），全球約有50家以上的實時操作系統（RTOS）軟件廠商和30家以上的EDA工具制造商，還有很多高效率的實時跟蹤調試工具的廠商，對ARM 提供了很好的支持。用戶采用ARM處理器開發產品，既可以獲得廣泛的支持，也便于和同行交流，加快開發進度，縮短產品的上市時間。

2.4 完整的產品線和發展規劃

ARM核根據不同應用需求對處理器的性能要求，有一個從ARM7、ARM9到ARM10、ARM11，以及新定義的CortexM/R/A系列完整的產品線。前幾年應用較多的主要是基于V4架構的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些處理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel 的AT91系列和Samsung的S3C系列。近兩年，ARM Cortex系列以更好的性能、更低的價格得到快速推廣，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。

ARM CortexM/R/A系列分別針對不同的應用領域。M系列主要面向傳統微控制器（MCU/單片機）應用，這類應用面很廣，要求處理器有豐富的外設，并且各方面比較均衡;R系列強調實時性，主要用于實時控制，如汽車引擎;A系列面向高性能、低功耗應用系統，如智能手機。選用ARM處理器進行開發，技術積累性較強，生命周期長，設計重用度高，不易被淘汰。用戶在選擇ARM處理器時，可以針對應用需求，從大量的ARM芯片中選用滿足性能、功能要求的產品，以獲得較好的性價比。

3 ARM嵌入式系統的軟件

由于嵌入式系統的差異性很大，對不同的應用需求，必須選擇不同的軟件設計方法、開發平臺和系統工具。

對于一些不需要復雜圖形用戶界面、通信協議和復雜文件操作（如同時打開多個文件）的應用，如果選用CortexM3核的處理器就已可以滿足要求，任務數不多，任務之間的關系也不復雜，則不一定需要移植復雜的操作系統。這樣一方面可以降低系統硬件開銷，也可以獲得更好的實時性和執行速度。不過，這樣的軟件開發方法需要開發人員有較好的程序設計思想，對所用器件有深入的了解，并掌握其編程控制方法。若引入一個簡單的操作系統，如μC/OS，可以簡化程序結構，但開發者最好熟悉其內核結構，并有使用經驗，否則可能會需要更多的系統開發、調試時間。

如果選擇了帶存儲器管理單元（MMU）的ARM處理器（如ARM920T、CortexA8等），這種應用系統根據應用、實時性、開發環境等因素，移植一個功能較強的操作系統一般情況下會比較合適，如Linux、WinCE，甚至新的Android等。這種系統的開發難度主要是在OS的移植以及硬件驅動程序的開發上。當這二步工作完成后，主要的軟件開發工作已和在PC機上開發沒有多大區別，可以按照一般的軟件工程方法來進行，要注意的只是與 ARM硬件平臺相關的軟件優化問題。

由于嵌入式系統硬件資源的有限性，嵌入式軟件與其他應用軟件的主要區別，在于嵌入式軟件要有較高的效率，包括執行速度和存儲空間，盡管這二者經常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度優化。要編寫出高效的ARM程序，需要開發人員熟悉ARM的體系結構，包括內核結構、指令系統、Cache與存儲器結構等，還要有好的程序設計思想，以及對一些常用函數、算法的深刻理解。這個過程也是ARM系統開發從低級到高級的進階之路。

目前，由于應用系統越來越復雜，嵌入式軟件的移植性和重用性也得到了人們的高度重視，因為它直接影響到嵌入式軟件的開發效率和質量。選擇一種通用的開發環境和高級編程語言，使開發的嵌入式軟件可以方便地移植到不同的硬件平臺，是實現軟件重用的基礎。目前在ARM嵌入式系統開發中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是較好的開發平臺，C/C++語言是應用最廣泛的編程語言，并具有廣泛的庫函數、程序支持，在今后很長一段時間內，仍將在嵌入式系統應用領域中占重要地位。

4 嵌入式系統的教學

如今，嵌入式系統作為一個熱門領域，其教學問題也頗受高校的關注。教學的主要目的是培養社會需要的人，由于嵌入式系統的廣泛性、差異性，社會對從事嵌入系統開發人員的要求也有很大的不同，既需要從事簡單8/16位單片機開發的人員，也需要從事 ARM、DSP開發的人員;既要有從事硬件、底層軟件開發的人員，也要有從事OS移植、應用軟件開發的人員。由于整個大學學習時間和課程教學時數的限制，一個人顯然不可能學習、掌握嵌入系統開發的各個層面。所以，各個學校首先應根據自身情況，明確定位，確定自己培養學生的社會適應面，然后再制定教學大綱，確定課程內容和實驗平臺。對于高職、普通高校的電類與非電類專業、軟件學院等，都應該有不同的選擇，而不是人云亦云，一哄而上。

就目前的發展看，由于ARM等32位處理器應用漸成主流，開發工具已較完善、成熟，對于普通高校計算機學科的嵌入式系統教學，筆者認為可以定位在以32位嵌入式系統開發為主，重點是嵌入式系統的軟硬件結構、嵌入式OS的知識，以及嵌入式軟件設計（包括優化）。課程主體內容基本與硬件平臺（處理器型號）無關，實驗可以采用基于ARM核的不同廠家處理器的實驗平臺。主要考慮以下幾點：

①在32位嵌入式系統開發上，軟件開發人員的需求比硬件開發人員要多得多（盡管目前硬件開發人員較難找，但這應該是電子等專業培養的）。一般在一個從事嵌入式應用系統開發的公司中，軟硬件人員的比例不會小于10：1。由于學習時間有限，教學重點應該偏軟件。

②現代社會強調分工、合作，以求得整體利益的最大化。對個人的要求首先是專才，能把局部工作做精、做好。通才是需要的，但數量會比專才少得多，而且通才是練出來的，不是教出來的。今后的大學是大眾教育，教學只能面向大眾需求。在相關專業的研究生階段，對一些有基礎、有興趣的學生，可以進行一些系統級硬件、底層軟件的開發實踐，同時也可滿足社會對高層次嵌入式人才的需要。

③以此為主，可以再開設2門選修課。向下為“單片機原理與應用”，此課程以實踐為主，讓有興趣的學生可以自己設計、制作一些單片機應用系統，同時也鍛煉了硬件動手能力。向上為“數字信號處理（DSP）”，讓那些數學基礎較好、對實時信號處理有興趣的學生有用武之地（現在這樣的學生很難得）。

另外，由于應用日趨復雜，而教學時間有限，一個本科生在校期間不可能深入學習嵌入式系統的很多細節，嵌入式教學應采用自上而下的教學方法。一開始不必花很多時間講解處理器內核架構/指令系統，只要知道各種內核的基本特點即可，重點學習、掌握處理器、外設的編程結構（即編程者角度看到的編程模型結構，非具體物理實現結構）。真實的應用、研究設計都是從粗粒度向細粒度進階的，是一個自頂向下的過程，首先要重視的是系統架構和各個抽象層。1000行的C程序，編譯后生成的目標代碼只有10 KB左右，試想現在的MCU Flash動輒幾百KB，為什么？一個目標代碼幾百KB的C程序，一般不是完全由個人寫出來的，而都會使用一些第三方的庫函數、中間件等。硬件也一樣，現在很多硬件系統都會使用一些模塊（Module），盡管這些模塊看上去還是一個芯片，但實際上已經是一個SiP模塊，如WiFi模塊。所以，在了解基本嵌入式系統結構的基礎上，本科階段要更多地學習各種系統、模塊、外設、協議、庫函數的“邊界（InteRFace）”，能夠搭建一個簡單系統（How to do），今后在工作、或研究生階段進一步去做好一個系統（How to do better）。

5結語

嵌入式系統作為一種特殊的計算機應用系統，在任何時期都有相對的高、中、低端應用，即使在今后，沒有OS支持的4位或8位單片機的嵌入式應用仍有大量需求，但趨勢是系統化、復雜化。這既是嵌入式系統的特點--廣泛性、差異性和不可壟斷性，也是廣大嵌入系統研發人員的生存與發展空間。ARM處理器在便攜、手持式設備以及工業控制等應用領域，在今后相當長的時間內是一個很好的選擇。當然，沒有一種型號的處理器是可以覆蓋所有應用的，也不是搬上一個嵌入式OS，就可以很好地解決軟件問題的。深入了解各種器件特性，選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系統和軟件庫，盡可能地優化軟件設計，最貼切地滿足應用需求，以獲得最好的系統性價比，是嵌入式系統設計開發的精髓。