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在標準微控制器的世界中，ARM體系結構在32位嵌入式RISC領域有著極大的影響力。就像在8位世界中8051的廣泛應用一樣，在32位微控制器領域里ARM得到了特別的青睞，并幾乎成為了事實上的標準。 對系統性能需求的提高和嵌入式功能的發展是促使設計者向32位處理器轉變的一個原因；但是這種轉變最大的驅動力還是來自于8位微控制器在其進化過程中自身面臨的諸多局限和挑戰。 雖然8位微控制器將繼續領導標準產品市場，但是很多公司為了延長8位體系結構生命周期的做法，給設計工程師在開發產品時帶來了越來越多的困難。8/16位解決方案的供應商近十年來以驚人的速度增加芯片上的外設、提高時鐘速度并擴展架構。 這雖然提高了性能，但使設計者的工作更困難、更昂貴。設計者現在必須面對每個新的衍生芯片的開發工具，處理一系列不可預知的調試問題。而隨著芯片時鐘的提高，其速度超過了在線仿真器的能力，在線仿真很難再對它們進行調試。為了解決這一兩難境地，程序使用越來越多的存儲器，但是這種存儲器的增長是建立在一個十分低效的架構上面的。 價格/性能比的變化 從整個系統角度出發，8位微控制器的傳統優勢棗價格，也在衰退。夏普微電子的單片機市場經理 Terry Thomas說：“雖然一個8位的單片機能夠處理家電的傳統控制功能，運行電子游戲，用于一些PDA中，但如果你想使用一些新的市場要求的附加功能，如接入因特網，大屏幕顯示等，就必須在PCB上增加額外的芯片。”然而這些功能在32位構架的芯片上可以方便、低成本地用軟件實現。 甚至在芯片與芯片的之間的單價直接對比上，競爭也開始如火如荼。在最近的嵌入式系統會議期間，幾家公司同時展示了各種各樣的基于ARM內核的32位標準單片機。今天我們可以找到各種價格的ARM芯片。一個擁有ARM核的單片機平均價在4~5美元之間，這比先前平均8.50美元的價格有了很大的降幅。直逼傳統的51單片機。 各種市場力量匯聚在一起，是設計經理們需要認真考慮一下向32位構架躍遷的時候了。通常有兩個問題是他們比較關心的：第一，是否能得到高質量的調試與開發工具；第二，如何避免選用的體系結構因為各種原因而失去強有力的工具支持。這些問題曾經是所有面向32位體系結構的開發人員面對的重要障礙。然而隨著基于ARM內核單片機的引入，所有問題均迎刃而解。 我們現在可以很方便地找到很多用于ARM內核標準單片機的開發工具，而更多的開發工具將在不久之后出現。另一個令人放心的理由是ARM在ASIC/SoC嵌入式市場上如此高的份額，這除了意味著ARM的體系結構擁有龐大的開發人員團體外，還可以肯定第三方的開發工具商將積極跟進行業的領導者，并支持ARM。 向ARM轉移 隨著工具的發展和對ARM構架越來越多的支持，設計者需要理解8位與32位ARM開發環境的區別，以及調試和開發工具如何處理它們。擴展的指令集，存儲器構架和片上調試環境是最先需要熟悉的。ARM 歐洲市場部經理Bruce Beckloff說“許多構架上的差異已經被開發工具所掩蓋了，現在高效的C編譯器和強大的開發工具將使這一轉變變得十分容易。” 雖然容易，但并不是不費吹灰之力。學習新的指令集依然很重要，當我們要編寫緊湊、具有嚴格時間要求的代碼時，我們仍然要依靠它們。在移植代碼時我們需要理解寄存器組，程序跳轉方案和指令級的中斷處理概念。但是在向ARM的轉移過程中我們已經可以看到很多新的手法了。 對于大多數的應用而言，問題的本質不是有沒有程序的移植工具或高效的交叉編譯器。相反，設計者想要知道的是32位工具是否能在和他們團隊正在使用的8位工具相同的環境下工作。 當工程師們努力學習新的構架時，熟悉的圖形界面和相似的運行環境對方便他們的學習是一個關鍵。大部分供應商都注意到了這一特點的重要性。Ashling微系統總裁Michael Healy表示“我們的32位調試器與8位的調試器具有相似的外觀和使用感受”。然而在圖形界面之外兩者卻十分不同。與8位開發工具控制在線仿真器所不同，32位開發工具與片上調試端口通信。 存儲器管理 32位存儲器模型與8位有著本質的不同。在8位世界中，8051的存儲器空間最多為64KB，這使我們幾乎不會去認真考慮是否使用MMU。達到2MB空間的程序通常采用Bank切換方式的存儲器。 32位構架歷來善于支持大型應用程序和完整的操作系統，它更傾向于將程序儲存于片外的RAM，在高速緩存中執行程序并使用MMU來處理整個過程，而這對于許多老練的8位開發者是一個陌生的模型。編譯器確實有用，但處理高速緩存下如此多種分支和異常的復雜性，將給那些習慣于零等待內存操作的開發者帶來一些麻煩。 芯片商開發出一個巧妙的方法用于解決這一問題。當認識到芯片制造工藝的進步使得片上的大容量閃存并不會花費太多的功耗時，飛利浦半導體推出了基于ARM7TDMI-S內核的LPC2100系列芯片，其內部擁有128位寬的零等待閃存。飛利浦使用128位的閃存接口以彌補閃存50ns的訪問延時。如果直接使用32位的數據總線傳輸數據，它將比10ns延遲的RAM慢，然而擁有128位的帶寬則意味著每周期可以多傳輸3倍的數據，從而提升有效帶寬。 使用飛利浦低功耗的閃存單元和低功耗的0.18μm工藝，128位閃存數據通道使得存儲器訪問的瓶頸消失了。開發者可以就像為8位或16位單片機編程一樣編寫程序，代碼存儲并執行于閃存中。編譯器和連接器無縫地拼接代碼，并將變量和數據存儲于RAM中。飛利浦單片機市場經理Geoff Lees表示“這一配置對實時嵌入式應用非常理想”。 調試技術 設計師轉移到32位架構的最大區別在于代碼調試的工具和技術。8位單片機的特點是使用在線仿真器(ICE)調試，它隨著不同新產品的發布變得越來越復雜。為了滿足性能的需求和價格要求，8位單片機供應商已經衍生出許多不同的片上外設，存儲器選項和引腳數量。 該策略衍生出大量不同的單片機，每一種均需要不同的ICE。調試工具提供商采用靈活的策略來降低復雜性，復用他們基本的ICE平臺。然而開發團隊依然難以決定使用何種衍生芯片，并購買相應的調試工具。 然而當他們進入32位設計領域時，設計者將有更豐富的片上調試工具以供選擇。學習的道路依然艱難，但如JTAG、ARM嵌入式ICE-RT和嵌入式Trace Macrocell（ETM）將最終指明走出8位衍生芯片泥沼道路的方向。（如圖1） 這些技術對于SoC和ASIC的ARM開發工程師非常好理解，但對于剛轉向32位的系統設計者來說需要一些解釋。以ARM7DTMI為例，該內核包含 EmbeddedICE-RT技術，這項技術允許在調試中產生中斷，從而使得中斷服務程序(ISR)得到執行。 這種實時能力是對EmbeddedICE技術的加強。EmbeddedICE是一種基于JTAG的ARM的內核調試通道，它處理典型的ICE功能，例如條件斷點，單步運行。因為這些設備都在片上，EmbeddedICE-RT技術將避免使用笨重的、不可靠的探針接插設備。嵌入在芯片中的調試模塊與外部的系統時序獨立，它可以直接運行在芯片內部的時鐘速度。 在8位世界中，背景調試模式(BDM)技術被廣泛地用于實時指令追蹤以控制寄存器、總線和存儲器。相對應的ARM工具是ETM (Embedded Trace Macrocell)。觸發點和過濾功能由調試軟件配置并通過標準JTAG接口傳輸到ETM上。利用已有可編程的跟蹤器，追蹤端口可配置為4位、8位或16位數據總線寬度。就像8位仿真工具一樣，在仿真時外設和中斷程序依然能夠繼續運行。 ARM的中斷向量控制器(VIC)對很多人來說是一個不太熟悉的技術。實時嵌入式系統中往往有大量的中斷源，確定它們的優先級并有效地加以處理是十分重要的。VIC對于管理中斷是一種非常理想的方案。從結構（圖2）上來看，它將中斷控制器移到了AMBA AHB總線上；從功能上看，它支持最多32個標準中斷，16個IRQ向量中斷，硬件中斷優先級控制和鏈式控制器等一些其它特性。 關于工具 毫無疑問，我們值得向ARM 32位構架轉變。在轉變之前，我們可以預見到ARM注定會成為一個被廣泛采用的32位結構體系解決方案。但與8位世界一樣，嵌入式應用依舊對成本敏。 |
