基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

楊航

摘 要：隨著當今社會的網(wǎng)絡技術(shù)與計算機技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多地應用到人們?nèi)粘Ｉ钪?，為了學習和研究嵌入式系統(tǒng)，本文介紹了一種基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設計思路，本平臺兼容多款ARM處理器，可適用于高校教學和進一步的應用開發(fā)，對于提高學生對于嵌入式系統(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、嵌入式外圍設備；軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件。

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。因此學生進行系統(tǒng)設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設計的普及化以及半導體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實現(xiàn)更為復雜的系統(tǒng)，即SOC。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設計公司的標準庫，和其他嵌入式系統(tǒng)外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的期間，用標準的Verilog語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。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的特性使其性能遠勝于一般的單片機，既能應付簡單的工業(yè)控制，也能應用在復雜的控制領(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用。

3.系統(tǒng)總體設計方案

設計方案中主要應確定該嵌入式系統(tǒng)設計的功能需求，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計。鑒于本課題的目標，學生在設計系統(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，設計的嵌入式平臺實現(xiàn)了可用于實驗和開發(fā)的目標，可以滿足教學實驗中關(guān)于微機原理等相關(guān)課程的要求。設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，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，2008.

（作者單位：湖北工程學院新技術(shù)學院）