基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚夢濤+杭佳+趙漢青+賈夏冬+李惠芳

摘要：近年來科技發(fā)展越來越快，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得嵌入式系統(tǒng)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的不足逐漸暴露無遺，ARM嵌入式系統(tǒng)逐漸成為很多行業(yè)嵌入式解決方案的最佳選擇。本文將對ARM嵌入式系統(tǒng)的一般概況進(jìn)行研究，得出其設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】ARM嵌入式系統(tǒng) 軟硬件設(shè)計(jì)

從單片機(jī)產(chǎn)生到現(xiàn)在，其種類發(fā)生了很大的變化，各種高性能SOC的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，使得移動通訊、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等有了新的功能，作為嵌入式系統(tǒng)的核心，ARM處理器是目前最為先進(jìn)的嵌入式微處理器。信息技術(shù)的發(fā)展使得人們對于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連的功能產(chǎn)生了新的需求，對嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能更為重視。

1 嵌入式系統(tǒng)的一般概況

1.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況

嵌入式系統(tǒng)主要用于監(jiān)視、控制或者幫助機(jī)器和設(shè)備的運(yùn)行，嵌入式系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，對于嵌入式系統(tǒng)的一般定義是以應(yīng)用為中心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以達(dá)到對應(yīng)用系統(tǒng)的性能、成本、大小的需求，嵌入式系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)階段：單片機(jī)階段、嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)階段以及SOC和網(wǎng)絡(luò)階段。對于單片機(jī)階段，主要以功能簡單的單片機(jī)為核心，并沒有采用嵌入式操作，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能較為單一。在嵌入式CPU和嵌入式操作階段，多種嵌入式微型處理器和嵌入式操作出現(xiàn)，使得嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛，在國防、工農(nóng)業(yè)和交通領(lǐng)域都有應(yīng)用。在SOC和網(wǎng)絡(luò)階段，基于SOC的嵌入式系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大，成本和能耗越來越小，在人們的日常生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。

1.2 ARM處理器的發(fā)展研究

嵌入式微型處理器作為整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以應(yīng)用的需求為導(dǎo)向，經(jīng)過多年的發(fā)展，ARM公司己近開發(fā)了一系列的ARM處理器核，當(dāng)前應(yīng)用最多的系統(tǒng)就是ARM7系列、ARM9系列、ARM11系列以及Cortex系列，未來ARM系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：高性能的ARM核，這些微處理器主要應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，對于高性能的ARM核，用于復(fù)雜的應(yīng)用，對于ARM核的成本投入也在減少，在滿足高性能、低成本的基礎(chǔ)上，極大的提高ARM的性能。

2 基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1 嵌入式微處理器的選擇

ARM芯片主要有三種型號，對于ARM核的選擇的決定性因素就是在于是否自帶MMU功能，部分ARM核只有在帶有MMU功能的前提下才可以運(yùn)行，所以在選擇時(shí)應(yīng)該特別注意這一功能，對于不需要MMU功能支持的系統(tǒng)可以考慮優(yōu)先選擇。其次，應(yīng)該對ARM系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率進(jìn)行觀察，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是決定ARM芯片的處理速度的直接因素，對于頻率較高的ARM芯片來說，以ARM9為代表，其頻率可以達(dá)到400MHz，在進(jìn)行選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況來決定。還應(yīng)該考慮的是ARM芯片內(nèi)置的外部接口控制器的數(shù)量，對于ARM芯片應(yīng)該選擇可以擴(kuò)展出RS232串行接口、以太網(wǎng)接口等，最好集成有DMA控制器，以保證和外界進(jìn)行大量的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.2 硬件整體規(guī)劃方案

一般來說以ARM系統(tǒng)為核心的軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該是一個(gè)支持多平臺的嵌入式平臺，所以在進(jìn)行硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)時(shí)，為了方便多種ARMCPU的切換，應(yīng)該在芯片上設(shè)計(jì)一些小的子板，對于外設(shè)電路的設(shè)計(jì)而言，子母板之間應(yīng)該通過金手指接口來連接，這樣的設(shè)計(jì)方法主要具有占用面積小的優(yōu)點(diǎn)，可以極大地減少制作成本。

2.1.3 存儲器的設(shè)計(jì)規(guī)劃

主要進(jìn)行的是對主存儲器和輔助存儲器的大小和型號的選擇，對于主存儲器的選擇主要重在對處理速度和價(jià)格的考慮，對于占用內(nèi)存較大的系統(tǒng)來說，可以優(yōu)先考慮SDRAM。對于輔助存儲器來說，主要是用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼，所以，輔助存儲器的大小很重要，其中，NANDFLASH內(nèi)存大、成本低，是選擇的首要對象。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件平臺的架構(gòu)

對于主流的ARM系統(tǒng)來說主要包括：BoorLoader、系統(tǒng)軟件、圖形用戶界面以及上層應(yīng)用軟件四個(gè)層次，在進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)的架構(gòu)時(shí)，應(yīng)該對其進(jìn)行整體性考慮，從不同層次的系統(tǒng)上進(jìn)行最優(yōu)選擇，以達(dá)到整體效果的最優(yōu)化。

2 .2.2 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式操作系統(tǒng)主要包括：VxWorks、Linux和WinCE，在進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)該對三種操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深入研究，了解其基本特點(diǎn)，在進(jìn)行選擇時(shí)可以有針對性的進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)的操作設(shè)計(jì)中，Linux是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的，其主要性能較高，成為其首選的重要因素。WinCE是從整體上對于有限資源進(jìn)行多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作，開發(fā)方便、快速，但是也存在著價(jià)格過高的缺點(diǎn)。對于VxWorks來說，其具有非常優(yōu)秀的實(shí)時(shí)功能，其價(jià)格也是很高的，所以開發(fā)應(yīng)用不夠廣泛。

2.2.3 嵌入式GUI的選擇

GUI系統(tǒng)主要包括：高度裁剪的XWindows系 統(tǒng)、MiniGUI、OpenGUI、Qr/Embedded等，對于每一種GUI都有其自身的特征，在進(jìn)行選擇是需要慎重考慮。對于第一種系統(tǒng)來說，其在運(yùn)行過程中占用的系統(tǒng)資源較多，加之對中文顯示和中文輸入等本地代碼的使用，使得其運(yùn)行的消耗更加巨大，所以主要應(yīng)用于機(jī)頂盒等地方。對于第二種系統(tǒng)來說，主要用于提供一個(gè)輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，但是其缺少方便的集成開發(fā)環(huán)境。所以，在進(jìn)行ARM為基礎(chǔ)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合多種條件進(jìn)行綜合考慮。

3 總結(jié)

通過對嵌入式系統(tǒng)的功能需求的分析，進(jìn)行針對性的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以滿足不同行業(yè)對于微處理器的需求，達(dá)到解決實(shí)際問題的目的，使得嵌入式系統(tǒng)可以更加廣泛的應(yīng)用于通訊行業(yè)，促進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

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