Một vài nét về bộ xử lý ARM 32-bit

đăng 21:59, 4 thg 10, 2011 bởi TAM PHAM CHINH

Với nền tảng là những bộ xử lý mạnh cùng với các hệ điều hành nhúng, hệ thống nhúng cao cấp cho phép giải những bài toán đòi hỏi năng lực xử lý cao, ổn định và tiêu thụ điện năng thấp trong nhiều lĩnh vực như quân sự, dân sự cũng như công nghiệp. 

Trong những năm 90, cách thiết kế hệ thống nhúng đã dần dần chuyển từ cấp độ “Mạch tích hợp” (Integrated Circuit) sang cấp độ “Hệ thống tích hợp” (Integrated System). Trong khi “Mạch tích hợp” dựa trên bộ vi xử lý nhúng và các DSP thì “Hệ thống tích hợp” dựa vào khái niệm SoC (System on Chip) được đề ra vào lúc đó.

Ngày nay, các hệ thống nhúng đã bước vào một thời kỳ thiết kế mới dựa trên SoC và chuẩn SoC cũng được sử dụng ngày càng rộng rãi. SoC đưa ra các chức năng phần cứng phức tạp cho các hệ nhúng cao cấp. SoC cũng đưa ra yêu cầu hỗ trợ các phần cứng cơ bản cho các hệ điều hành nhúng. Trong thập niên 90, đã có một vài hệ điều hành nhúng trình làng trên thị trường. Phổ biến nhất là VxWorks, Windows CE, Palm, ucLinux, pSOS, uC/OS…Tuy nhiên, các ứng dụng thiết kế cho các hệ điều hành nhúng này chỉ mới xuất hiện những năm gần đây. Có hai nguyên nhân cho sự ra đời của hệ điều hành nhúng: Thứ nhất là sự tăng lên về nhu cầu phát triển các hệ thống nhúng phức tạp trong những năm gần đây và thứ hai chính là SoC. Đa phần các hệ điều hành nhúng đều có giá rất cao. Vì thế nên một vài hệ điều hành nhúng mã nguồn mở như uc/OS-II, ucLinux được khá nhiều người dùng chọn lựa, đồng thời các RTOS này cũng rất thích hợp cho việc giảng dạy.

Như vậy cùng với bộ xử lý ARM, các hệ điều hành nhúng mở đã tạo nên nền tảng cho hệ nhúng cao cấp có mặt hầu hết mọi nơi từ điện thoại di động, PDA đến máy nghe nhạc MP3... Bài báo này sẽ giới thiệu về hệ thống nhúng cao cấp sử dụng bộ  xử lý ARM 32 bit và các hệ điều hành nhúng mở phổ biến hiện nay: Windows CE, Embedded Linux, Android. 

Hiện nay có khoảng 50 hệ điều hành nhúng có thể chạy được trên các bộ xử lý ARM như : Embedded Linux, QNX, Micrium, MontaVista, Windows CE, Symbian, Android, Lynyos, VxWork…Mỗi hệ điều hành đều có đặc điểm và ứng dụng riêng, chẳng hạn như QNX được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực quân sự, Symbian sử dụng trên điện thoại di động và VxWork sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp. Phần dưới đây sẽ giới thiệu ba hệ điều hành nhúng mở đang phổ biến nhất hiện nay đó là : Windows CE, Embedded Linux và Android. 

Các hệ thống nhúng dựa vào các bộ xử lý nhúng có đặc điểm là kích thước nhỏ, nhẹ, và hiệu năng cao. Các bộ xử lý 32 bit được dùng nhiều nhất phải kể đến ARM của ARM Ltd, Alpha của Compaq, PA-RISE của HP, Power-PC của IBM, MIPS của MIPS Technologies Inc., SPARC của Sun…Bộ xử lý ARM có hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng, giá thành thấp…đang được sử dụng nhiều nhất trong dòng vi xử lý 32 bit. 

Bộ Kit phát triển ARM 2440 

Trong những năm đầu thập niên 90, ngành công nghiệp sản xuất bán dẫn đã tạo ra một chuỗi sản xuất liên kết các lĩnh vực thiết kế, sản xuất, đóng gói và kiểm định. Ngoài một số công ty sản xuất bán dẫn thực thụ phát triển rất mạnh còn có một số công ty chuyên về thiết kế. Advanced RISC Machines (ARM) là công ty thành công nhất trong lĩnh vực thiết kế. ARM không hề sản xuất cũng như không bán bất kỳ con chip nào mà cung cấp các lõi IP hiệu năng cao được bán cho các công ty sản xuất bán dẫn. Vào thời điểm kiến trúc hệ thống ARM7 (kiến trúc hệ thống v3) vừa mới được chấp nhận và ứng dụng, thị trường vi xử lý nhúng đã tràn ngập loại 8 bit và 16 bit. Tuy nhiên các bộ vi xử lý này không đáp ứng được các yêu cầu phát triển các ứng dụng cao cấp như điện thoại di động hay modem,...Các sản phẩm này cần sức mạnh của bộ vi xử lý 32 bit và mật độ mã lập trình cao hơn bộ xử lý CISC 16 bit. Để đáp ứng các yêu cầu này, một nhánh T trong kiến trúc ARM đã được phát triển. Nhánh T này được gọi là tập lệnh Thumb 16 bit (16 bit Thumb Instruction Set). Thumb là một trong những điểm nổi trội nhất của công nghệ ARM. ARM7TDMI (kiến trúc hệ thống v4) là bộ xử lý đầu tiên hỗ trợ tập lệnh Thumb và có thể chuyển sang chế độ làm việc với Thumb. Một bộ vi xử lý 32 bit có thể chạy với tập lệnh 16 bit Thumb. Vì thế nên có thể xem Thumb là cầu nối giữa các hệ thống 16 bit cũ và 32 bit mới. Kiến trúc ARM cung cấp bộ xử lý có hiệu năng cao hơn cho người dùng. Chính điều này đã thúc đẩy sự phát triển hệ thống nhúng cũng như công nghệ ARM. Một điều đáng chú ý nữa là các bộ vi xử lý 16 bit không được phát triển mạnh như mọi người dự đoán. Có nhiều nguyên nhân, một trong số đó có lẽ là vì bộ vi xử lý 32 bit vừa mạnh hơn vừa rẻ hơn so với 16 bit nên các ứng dụng nhúng đã chuyển thẳng sang thế hệ 32 bit.

Rất nhiều công ty sản xuất bán dẫn đã chọn phát triển các sản phẩm của bộ xử lý ARM. Có hơn 100 công ty về IT đang sử dụng bộ xử lý ARM, 19 trong số 20 công ty sản xuất bán dẫn lớn nhất đang phát triển chip dựa trên kiến trúc ARM bao gồm TI, Philips, Intel…Chính chất lượng sản phẩm và việc chọn đúng thị trường đã giúp ARM xâm nhập vào nhiều lĩnh vực, thúc đẩy sự phát triển nhiều loại chip phục vụ cho rất nhiều ứng dụng khác nhau. ARM đã xác lập được vị trí dẫn đầu trong công nghệ nhúng và công nghệ ARM đang được sử dụng hết sức rộng rãi. ARM đã có được thành công rất lớn trong lĩnh vực ứng dụng nhúng cần hiệu năng cao và vị trí số một trong lĩnh vực ứng dụng nhúng 32 bit. Năm 2002, bộ xử lý ARM chiếm 79.5% thị phần bộ vi xử lý 32 bit trên thế giới. Tính đến nay đã có hơn 10 tỷ chip ARM được sử dụng. Bộ xử lý ARM có mặt hầu hết mọi nơi từ điện thoại di động, PDA đến máy nghe nhạc MP3… 

Một vài sản phẩm công nghệ tiêu biểu ứng dụng bộ xử lý ARM


Comments