淺談基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許斌

摘 要：ARM是對(duì)微處理器的通稱(chēng)，ARM處理器是一種32位嵌入式的RISC處理器，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。本文就對(duì)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，主要介紹了嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)以及ARM選型、嵌入式系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程等，為嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)理論參考。

關(guān)鍵詞：ARM 嵌入式系統(tǒng) 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（a）-0065-02

從單片機(jī)的出現(xiàn)到現(xiàn)在各式各樣的嵌入式微處理器的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，而隨著近些年科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型技術(shù)設(shè)備的不斷出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)自身也不斷的優(yōu)化，人們對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)越性越來(lái)越認(rèn)可，嵌入式系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于各種高精設(shè)備。ARM的處理器是目前業(yè)界公認(rèn)的領(lǐng)先的32位的嵌入式的RISC處理器，所以成為了這種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

1 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)最主要的就是嵌入，這里的嵌入是嵌入于受控器內(nèi)部，所以嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入受控器內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般包括3個(gè)部分：硬件設(shè)備、嵌入式的操作系統(tǒng)以及特定的應(yīng)用軟件，嵌入式的系統(tǒng)內(nèi)包括了嵌入式的硬件和相應(yīng)的應(yīng)用軟件，具備了硬件和軟件，嵌入式系統(tǒng)就成為了可獨(dú)立工作的一個(gè)系統(tǒng)，最終體現(xiàn)在一個(gè)微處理器上，微處理器的核心構(gòu)件是一個(gè)微控制器，組成微處理器的硬件包括顯卡、存儲(chǔ)介質(zhì)等，而ARM正是儲(chǔ)存器的一個(gè)部分，嵌入式系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的最大不同就在于存儲(chǔ)介質(zhì)，嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)多是使用閃存。嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件與硬件相互配合，構(gòu)成完整的體系。

2 嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

（1）專(zhuān)用性強(qiáng)：嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)用性強(qiáng)，這也就導(dǎo)致了嵌入式系統(tǒng)目前只占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一小部分，家用的計(jì)算機(jī)不會(huì)安裝嵌入式的系統(tǒng)，因?yàn)榍度胧降南到y(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，嵌入式系統(tǒng)的CPU與通用型系統(tǒng)CPU最大的不同之處就在于，嵌入式系統(tǒng)的是為特定的用戶(hù)群體設(shè)計(jì)的，嵌入式系統(tǒng)體積相比較小，所以集成度較高，在這點(diǎn)上與通用型系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)越性，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)中，所有的任務(wù)都集成在芯片內(nèi)部，減少了卡板的應(yīng)用，因此減小了體積。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的設(shè)計(jì)是針對(duì)特定客戶(hù)的，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)用戶(hù)需求，不斷地提高系統(tǒng)工作的效率、不斷地優(yōu)化發(fā)展。（2）高實(shí)時(shí)性：嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)就是高實(shí)時(shí)性，這種高實(shí)時(shí)性的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要依賴(lài)于存儲(chǔ)設(shè)備。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)的工作效率和可靠性，往往都省去了存儲(chǔ)磁盤(pán)，而將軟件直接固化在芯片中，這也是減小體積的一個(gè)措施。（3）標(biāo)準(zhǔn)性：相比于通用型系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是由計(jì)算機(jī)相關(guān)研究領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，而非行業(yè)的從業(yè)人員，所以嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工具更加的高效可靠，而且設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)也具有更高的標(biāo)準(zhǔn)。（4）使用周期長(zhǎng)：在嵌入式系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)所有的應(yīng)用都嵌入控制器內(nèi)部，與系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，因此軟件的升級(jí)和系統(tǒng)的更新、升級(jí)是同步進(jìn)行的，所以不會(huì)出現(xiàn)硬件相對(duì)于軟件的過(guò)時(shí)，使用周期長(zhǎng)。

3 ARM選型

ARM處理器包括ARM9、ARM9E、ARM10、Intel的StrongARM等幾個(gè)系列，每一個(gè)系列都有其自身的特點(diǎn)，所以在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)首先就要根據(jù)系統(tǒng)的需求和用戶(hù)的需要進(jìn)行ARM的選型。ARM處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同用戶(hù)的需要，例如，用戶(hù)需要使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)，我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮選擇存儲(chǔ)容量在20T以上的帶有MMU功能的ARM芯片，事實(shí)上有很多種AARM芯片都帶有MMU功能，而且目前類(lèi)似于uCLinux的軟件，不需要MMU功能的支持就可以完成預(yù)期的運(yùn)行操作[1]。

4 Bootloader開(kāi)發(fā)

Bootloader是由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的芯片引導(dǎo)程序。這一程序固定化存儲(chǔ)設(shè)備中，主要功能就是啟動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)中的嵌入式的軟件。Bootloader與ARM芯片的關(guān)系就是，Bootloader可以設(shè)計(jì)在RAM中運(yùn)行，也可以獨(dú)立于ARM之外運(yùn)行，當(dāng)前，在ARM中運(yùn)行需要以CPU支持為前提。Bootloader開(kāi)發(fā)首先需要初始化處理器，也就是使用Bootloader初始化處理器中的一些配置寄存器。接下來(lái)就是準(zhǔn)備初始化一些必備的硬件，包括FlashROM和中斷控制器，而且有些從主機(jī)下載系統(tǒng)映像到硬件板上的接口設(shè)備也是由其完成初始化的，整個(gè)初始化及下載的過(guò)程較為復(fù)雜，在以以太網(wǎng)為傳輸中介的映像下載工作中，Bootloader會(huì)負(fù)責(zé)初始化相關(guān)硬件。

5 嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)需求分析：嵌入式系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)就是面向特定的用戶(hù)，所以用戶(hù)的系統(tǒng)需求是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)最先要考慮的問(wèn)題。所以在具體的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該結(jié)合用戶(hù)的項(xiàng)目需要，來(lái)確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)，根據(jù)這一目標(biāo)進(jìn)一步確定系統(tǒng)的每一部分功能、性能、生產(chǎn)成本和一些具體的參數(shù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性分析，為具體的開(kāi)發(fā)工作提供參考。（2）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行框架的設(shè)計(jì)，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容就是根據(jù)系統(tǒng)的功能需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的規(guī)劃，包括對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件以及具體應(yīng)用軟件的劃分，硬件及軟件系統(tǒng)的具體組成以及具體設(shè)備的選型，另外，由于嵌入式系統(tǒng)的整體性特點(diǎn)，硬件和軟件很難完全區(qū)分開(kāi)，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以分別設(shè)計(jì)，融合后再進(jìn)行優(yōu)化。（3）硬件-軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)：如果說(shuō)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整體的、粗線條的設(shè)計(jì)，那么硬件-軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)就是對(duì)硬件和軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)、具體的設(shè)計(jì)，這里的設(shè)計(jì)具體到每一個(gè)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)和規(guī)格，主要包括的就是外圍的大型設(shè)備、電路板等硬件設(shè)施以及系統(tǒng)的各部分軟件。當(dāng)然，在具體構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮每一個(gè)單獨(dú)的構(gòu)件，還要、考慮硬件-軟件的協(xié)同性設(shè)計(jì)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。（4）系統(tǒng)集成：具體的硬件和軟件都設(shè)計(jì)完成后，就需要進(jìn)行系統(tǒng)的集成，將系統(tǒng)的硬件、軟件和執(zhí)行裝置集成在一起，就得到了一個(gè)系統(tǒng)的雛形，這個(gè)組裝后的系統(tǒng)可能與我們預(yù)期的目標(biāo)系統(tǒng)在功能和組成上有一定的出入，所以在系統(tǒng)集成后要進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)調(diào)試我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足，進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，最終形成預(yù)期功能的系統(tǒng)。（5）完成測(cè)試并形成產(chǎn)品：系統(tǒng)測(cè)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，具體就是要將設(shè)計(jì)并調(diào)試好的系統(tǒng)放到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試的過(guò)程較為復(fù)雜，經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試過(guò)程，保證系統(tǒng)可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，就可以形成系統(tǒng)性的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)以上程序化的開(kāi)發(fā)流程，可以基本保證嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行效果，如果在以后的使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)該找專(zhuān)業(yè)的人員進(jìn)行維護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)、安全性較高，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)是目前公認(rèn)的高端的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而近些年隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為迅速，目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)的領(lǐng)域，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成了現(xiàn)代化電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范性，優(yōu)化系統(tǒng)功能，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)我們必須要按設(shè)計(jì)的程序，嚴(yán)格遵守每一項(xiàng)設(shè)計(jì)工作，保證嵌入式系統(tǒng)獨(dú)特的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王維新.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，12（3）：122-124.

[2] 邵常勇，陳滌，董國(guó)鋒.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J].信息技術(shù)與信息化，2015，23（6）：78-79.endprint