基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊航

摘 要：隨著當(dāng)今社會的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計算機技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多地應(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)計思路，本平臺兼容多款A(yù)RM處理器，可適用于高校教學(xué)和進一步的應(yīng)用開發(fā)，對于提高學(xué)生對于嵌入式系統(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)的簡介

所謂嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），實際上是“嵌入式計算機系統(tǒng)”的簡稱，它是相對于通用計算機系統(tǒng)而言的。嵌入式系統(tǒng)主要由軟硬件兩個部分構(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)相對于通用計算機系統(tǒng)來論具有以下特點：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。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器芯片或單片機本身中。③嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，設(shè)計完成后通常程序功能固定，需要有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。④嵌入式系統(tǒng)硬件和具體應(yīng)用有機結(jié)合，升級換代需要同步進行，因此產(chǎn)品具有較長的生命周期。

總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的最大特點是具有目的性和針對性，設(shè)計的每一套系統(tǒng)都需要安全高效地運用于特定的場合，實現(xiàn)特定的功能。因此學(xué)生進行系統(tǒng)設(shè)計時必須最大限度地針對軟件和硬件進行量身定做。

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)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的期間，用標(biāo)準(zhǔn)的Verilog語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。整個嵌入式系統(tǒng)大部分可以集成到芯片中，系統(tǒng)電路板變得簡潔，對于見效體積和功耗、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，既能應(yīng)付簡單的工業(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。ARM微處理器及其技術(shù)已深入到各個領(lǐng)域，將來也會得到更加廣泛的應(yīng)用。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計方案

設(shè)計方案中主要應(yīng)確定該嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的功能需求，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，按照嵌入式開發(fā)過程流程，進行硬件系統(tǒng)方案的規(guī)劃和軟件平臺方案的設(shè)計。鑒于本課題的目標(biāo)，學(xué)生在設(shè)計系統(tǒng)時需要遵守兩個原則：一是從硬件上滿足實驗需要，該嵌入式系統(tǒng)需有通用的外設(shè)接口和總線擴展接口，使系統(tǒng)可以進一步開發(fā)；二是在軟件平臺方案設(shè)計時，要有一整套的軟件方案，能滿足不同的實驗需求。

第一，本系統(tǒng)設(shè)計旨在開發(fā)能支持多個ARM處理器的嵌入式平臺，根據(jù)需要和擴展功能的要求，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，考慮到滿足實驗要求和進一步開發(fā)，針對嵌入式軟件平臺，系統(tǒng)中需要實現(xiàn)一個完整的嵌入式系統(tǒng)，主要包括bootloader的開發(fā)，操作系統(tǒng)的移植，根文件系統(tǒng)開發(fā)和嵌入式GUI移植。

綜上所述，通過研究，設(shè)計的嵌入式平臺實現(xiàn)了可用于實驗和開發(fā)的目標(biāo)，可以滿足教學(xué)實驗中關(guān)于微機原理等相關(guān)課程的要求。設(shè)計出的平臺不僅滿足了實驗需要，同時擴展的外圍接口使該平臺作為通用的嵌入式平臺可應(yīng)用于多種場合。

參考文獻：

[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總線嵌入式工控機的研究和實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2008.

（作者單位：湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院）