基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘 要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了社會(huì)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)就是其中的重要一種，故受到了人們的高度關(guān)注。本文首先對(duì)APM和嵌入式系統(tǒng)加以闡述，然后設(shè)計(jì)基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)，希望為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：ARM;嵌入式系統(tǒng);軟硬件系統(tǒng)

引言：ARM處理器是嵌入式微處理器的一種，其應(yīng)用效果十分顯著。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)提出了更高的要求，為滿足人們的要求，應(yīng)用ARM處理器設(shè)計(jì)嵌入式軟件和硬件系統(tǒng)，其意義十分重大。

一、ARM和嵌入式系統(tǒng)概述

（一）ARM概述

在嵌入式系統(tǒng)之中，ARM起到的作用尤為關(guān)鍵，關(guān)系到系統(tǒng)功能的發(fā)揮，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將應(yīng)用作為目的，通過(guò)查閱相關(guān)資料得知，各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，目前，ARM處理器的性能逐漸增強(qiáng)，其生產(chǎn)公司按照性能的高低，相繼推出了7代、9代和11代ARM處理器，性能提升是其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，這些高性能的ARM會(huì)在高精尖領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用，與此同時(shí)，其生產(chǎn)成本也會(huì)隨著生產(chǎn)能力的提升而下降。

（二）嵌入式系統(tǒng)概述

就當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸廣泛，在監(jiān)控、控制機(jī)器等方面取得了良好的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，分別為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。專業(yè)領(lǐng)域?qū)η度胧较到y(tǒng)做出了如下定義：以應(yīng)用為目標(biāo)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，滿足實(shí)際需求的系統(tǒng)[1]。

二、基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

（一）基于ARM的嵌入式硬件系統(tǒng)分析

（1）選擇合適的處理器。據(jù)了解得知，目前常用ARM處理器為四種。因此，在選擇ARM核的過(guò)程中，需要對(duì)其是否具備MMU功能進(jìn)行考慮，只有具備這一功能的ARM核，才能滿足嵌入式硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[2]。究其原因，主要是MMU功能決定了ARM核運(yùn)行的穩(wěn)定性。但一些系統(tǒng)則與之相反，即使ARM核不具備MMU功能也能夠在系統(tǒng)中有效運(yùn)行，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，可以將這種系統(tǒng)作為主要選擇。由于ARM芯片處理速度會(huì)受到時(shí)鐘頻率的影響，故設(shè)計(jì)時(shí)還要觀察系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，以ARM9代處理器為例，該處理器與7代和5代處理器相比，在頻率上有顯著的提升，在選擇處理器的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行需要。以某科技企業(yè)為例，該企業(yè)在綜合考慮各類ARM處理器之間優(yōu)劣勢(shì)后，選擇了9代ARM處理器中的3個(gè)種類。ARM處理器具有以下方面的優(yōu)勢(shì)：第一，串行接口數(shù)量多;第二，具有可拓展的以太網(wǎng)接口;第三，市場(chǎng)價(jià)格低廉。

（2）硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃。通過(guò)查閱相關(guān)資料得知，基于ARM的系統(tǒng)多為嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)能夠?qū)Χ鄠€(gè)平臺(tái)予以支持，故在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的過(guò)程中，為增強(qiáng)ARM和CPU之間切換的便捷性，可以將子板設(shè)置到芯片之中，在進(jìn)行外部電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使用金手指接口使子母板相連，其目的在于節(jié)省空間，并減少成本[3]。

上述企業(yè)在考慮多方面的因素后，基于ARM處理器，設(shè)計(jì)了CPU 子板，且子板間在適用性和運(yùn)行效率方面存在差異。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃如圖1所示。

（3）設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器。選擇不同型號(hào)和大小的存儲(chǔ)器是主要的設(shè)計(jì)目的，由于不同型號(hào)的存儲(chǔ)器，在價(jià)格和性能上有所差異，因此，在選擇主存儲(chǔ)器時(shí)不僅要考慮其存儲(chǔ)容量，還要對(duì)價(jià)格予以關(guān)注[4]。如果系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)量需求較高，則可以選擇SDRAM。例如：在選擇輔助存儲(chǔ)器時(shí)，就可以選擇NANDFLASH存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)外設(shè)電路。ARM處理器中都存在內(nèi)置控制器，使外部電路得到了簡(jiǎn)化，故在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)選擇合適的嵌入式系統(tǒng)，上述企業(yè)在考慮到適配性的基礎(chǔ)上，選擇了CS800嵌入式系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)適用性較強(qiáng)，且與IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相符，同時(shí)具有各類接口，在I/O模式中可以發(fā)揮應(yīng)有的作用。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，這種系統(tǒng)的應(yīng)用，可以取得良好的應(yīng)用效果。

（二）基于ARM的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.嵌入式軟件軟件系統(tǒng)的構(gòu)成

目前，最常用的嵌入式系統(tǒng)，其軟件組成部分可以分為以下幾種：（1）系統(tǒng)軟件;（2）上層應(yīng)用軟件;（3）圖形用戶界面;（4）BootLoader。接下來(lái)，本文會(huì)對(duì)這些軟件構(gòu)成進(jìn)行分析：

系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件屬于一個(gè)集成系統(tǒng)，由兩部分構(gòu)成，分別是文件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。其中，操作系統(tǒng)屬于一個(gè)平臺(tái)，可以支持軟件開(kāi)發(fā)。操作系統(tǒng)的應(yīng)用范圍十分廣泛，其主要功能為資源分配，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的需求，對(duì)硬件資源和軟件資源進(jìn)行分配，同時(shí)，還能調(diào)整和控制任務(wù)進(jìn)度。嵌入式操作系統(tǒng)與普通操作系統(tǒng)相比，除了具備操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)性功能之外，還有可剪裁性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)。文件存儲(chǔ)、檢索和更新是嵌入式文件系統(tǒng)的主要功能，但這個(gè)系統(tǒng)卻無(wú)法保證文件的安全，只能為文件操作提供支持[5]。

圖形用戶界面。圖形用戶界面的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展成熟的標(biāo)志，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，滿足了人們使用計(jì)算機(jī)的需求，在圖形用戶界面出現(xiàn)之前，人們想要利用計(jì)算機(jī)完成一系列的操作，需要使用大量的命令，且這些命令十分復(fù)雜，難以背誦。而圖形用戶界面應(yīng)用后，人們可以利用窗口、按鍵完成操作，而嵌入式圖形用戶接口是傳統(tǒng)圖形用戶界面的升級(jí)版，具有可靠性高、便于移動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用軟件層。主要是指將嵌入式操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)使用，實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)，以豐富系統(tǒng)的功能。

BootLoader。其中文名是引導(dǎo)加載程序，簡(jiǎn)言之屬于一個(gè)程序代碼，這段代碼的輸入，是建立內(nèi)存空間映射圖的前提條件，而空間映射圖的建立，則可以為硬軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供合適的環(huán)境。

2.選擇合適的操作系統(tǒng)

目前，常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有如下幾種：（1）WinCE;（2）VxWorks;（3）Linux。在選擇操作系統(tǒng)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮不同操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足，據(jù)了解得知，WinCE操作系統(tǒng)的整體性較強(qiáng)，能夠同時(shí)運(yùn)行多項(xiàng)任務(wù)，故應(yīng)用該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，可以縮短硬軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，但在價(jià)格方面卻十分昂貴。

3.BootLoader的選擇

通過(guò)上文分析可知，BootLoader屬于一個(gè)程序代碼，可以把操作系統(tǒng)裝載到存儲(chǔ)器之中，然后向存儲(chǔ)器跳轉(zhuǎn)，最后運(yùn)行操作系統(tǒng)即可。初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)是BootLoader的主要任務(wù)，因此，在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)應(yīng)做好BootLoader的選擇。

4.選擇合適的GUI

在操作系統(tǒng)選擇完成后，應(yīng)該在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選擇合適的GUI，目前，常用的GUI系統(tǒng)有如下幾種：（1）高度剪裁的Windows系統(tǒng);（2）OpenGUI;（3）MiniGUI;（4）QT。

其中高度剪裁的Windows系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源，并且，本地代碼的輸入，會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的資源消耗大幅度上升，因此，其應(yīng)用范圍被局限于系統(tǒng)資源要求偏低的地方，比如：數(shù)字電視上的機(jī)頂盒。

OpenGUI屬于一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但卻無(wú)法支持處理器，故不具備良好的跨平臺(tái)可移植性，其發(fā)展陷入了瓶頸。

MiniGUI屬于一個(gè)界面支持系統(tǒng)，其目的在于為L(zhǎng)inux嵌入系統(tǒng)提供服務(wù)。但這種系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中卻出現(xiàn)了問(wèn)題，具體包括體系結(jié)構(gòu)不完善、開(kāi)發(fā)環(huán)境便捷性差、無(wú)法支持主流的輸入法。

QT是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)版本，其他GUI系統(tǒng)中的程序可以向QT系統(tǒng)中移植，同時(shí)具有多個(gè)接口，可以支持用戶的自定義設(shè)備。但是這種系統(tǒng)所占內(nèi)存較大，對(duì)存儲(chǔ)器容量提出了嚴(yán)格的要求，且隨著存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)不足已經(jīng)被完全彌補(bǔ)，建議設(shè)計(jì)人員選擇QT作為GUI。

結(jié)論：綜上所述，在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中，且取得了良好的應(yīng)用效果。具體表現(xiàn)為將基于ARM的嵌入式系統(tǒng)作為微型處理器，可以使各行各業(yè)對(duì)處理器的需求得到滿足。為此，本文在分析ARM和嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了幾點(diǎn)設(shè)計(jì)嵌入式軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的建議，以促進(jìn)硬軟件的開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振東.基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息記錄材料，2018，19（04）：105-106.

[2]姚夢(mèng)濤，杭佳，趙漢青，等.基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（15）：202.

[3]楊航.基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].求知導(dǎo)刊，2017（09）：60.

[4]闞艷，張子明，李金猛，韓梁，周勇軍.基于ARM的嵌入式工具管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2019，27（11）：233-238.

[5]陳皓全.基于嵌入式處理器的數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析[J].電子測(cè)試，2019（16）：20-21.

作者簡(jiǎn)介：

吳文慶（1973-），男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，碩士，從事軟件工程技術(shù)研究.