楊航

摘 要：隨著當(dāng)今社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ钪校瑸榱藢W(xué)習(xí)和研究嵌入式系統(tǒng)，本文介紹了一種基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，本平臺(tái)兼容多款A(yù)RM處理器，可適用于高校教學(xué)和進(jìn)一步的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，對(duì)于提高學(xué)生對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的理解有重要作用。

關(guān)鍵詞：ARM處理器；嵌入式系統(tǒng)；軟硬件協(xié)同

1.嵌入式系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

所謂嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），實(shí)際上是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱，它是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。嵌入式系統(tǒng)主要由軟硬件兩個(gè)部分構(gòu)成，硬件是支撐，軟件是靈魂，硬件包括嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備；軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件。

嵌入式操作系統(tǒng)相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)論具有以下特點(diǎn)：①嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。嵌入式CPU與通用型相比通常具有低功耗，體積小，集成度高的特點(diǎn)。②為提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中。③嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，設(shè)計(jì)完成后通常程序功能固定，需要有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。④嵌入式系統(tǒng)硬件和具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，升級(jí)換代需要同步進(jìn)行，因此產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的生命周期。

總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是具有目的性和針對(duì)性，設(shè)計(jì)的每一套系統(tǒng)都需要安全高效地運(yùn)用于特定的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)特定的功能。因此學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須最大限度地針對(duì)軟件和硬件進(jìn)行量身定做。

2.嵌入式處理器概述及其分類

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。從功能上看，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的處理器主要分為4類：嵌入式微處理器（MPU），嵌入式微控制器（MCU），嵌入式DSP處理器（DSP），嵌入式片上操作系統(tǒng)（SOC）。

隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，即SOC。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的期間，用標(biāo)準(zhǔn)的Verilog語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分可以集成到芯片中，系統(tǒng)電路板變得簡(jiǎn)潔，對(duì)于見(jiàn)效體積和功耗、提高可靠性非常有利，ARM處理器就是SOC架構(gòu)中的佼佼者。

ARM處理器家族共享同一個(gè)基本指令集，即32位ARM指令集。所以ARM的32位RISC的特性使其性能遠(yuǎn)勝于一般的單片機(jī)，既能應(yīng)付簡(jiǎn)單的工業(yè)控制，也能應(yīng)用在復(fù)雜的控制領(lǐng)域。并且ARM體系結(jié)構(gòu)處理器在功耗、穩(wěn)定性和成本上具有一定優(yōu)勢(shì)。ARM微處理器及其技術(shù)已深入到各個(gè)領(lǐng)域，將來(lái)也會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案中主要應(yīng)確定該嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，按照嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程流程，進(jìn)行硬件系統(tǒng)方案的規(guī)劃和軟件平臺(tái)方案的設(shè)計(jì)。鑒于本課題的目標(biāo)，學(xué)生在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要遵守兩個(gè)原則：一是從硬件上滿足實(shí)驗(yàn)需要，該嵌入式系統(tǒng)需有通用的外設(shè)接口和總線擴(kuò)展接口，使系統(tǒng)可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；二是在軟件平臺(tái)方案設(shè)計(jì)時(shí)，要有一整套的軟件方案，能滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。

第一，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在開(kāi)發(fā)能支持多個(gè)ARM處理器的嵌入式平臺(tái)，根據(jù)需要和擴(kuò)展功能的要求，該嵌入式系統(tǒng)需要具有以下外設(shè)接口：RS232串行接口、usb接口、以太網(wǎng)接口、觸摸屏接口、音頻接口、JTAG接口（芯片內(nèi)部測(cè)試）、SD卡接口、鍵盤數(shù)碼接口、外括總線接口。第二，考慮到滿足實(shí)驗(yàn)要求和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，針對(duì)嵌入式軟件平臺(tái)，系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)，主要包括bootloader的開(kāi)發(fā)，操作系統(tǒng)的移植，根文件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和嵌入式GUI移植。

綜上所述，通過(guò)研究，設(shè)計(jì)的嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可用于實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，可以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于微機(jī)原理等相關(guān)課程的要求。設(shè)計(jì)出的平臺(tái)不僅滿足了實(shí)驗(yàn)需要，同時(shí)擴(kuò)展的外圍接口使該平臺(tái)作為通用的嵌入式平臺(tái)可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亞庭.基于ARM與FPGA的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[2]李臻君.基于ARM的PC/104總線嵌入式工控機(jī)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

（作者單位：湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院）