基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計與實現

姚夢濤+杭佳+趙漢青+賈夏冬+李惠芳

摘要：近年來科技發展越來越快，計算機網絡技術以及微電子技術的發展，使得嵌入式系統在各行各業中的應用越來越廣泛，傳統的嵌入式系統的不足逐漸暴露無遺，ARM嵌入式系統逐漸成為很多行業嵌入式解決方案的最佳選擇。本文將對ARM嵌入式系統的一般概況進行研究，得出其設計方法。

【關鍵詞】ARM嵌入式系統 軟硬件設計

從單片機產生到現在，其種類發生了很大的變化，各種高性能SOC的設計與應用，使得移動通訊、儀器儀表、工業設備等有了新的功能，作為嵌入式系統的核心，ARM處理器是目前最為先進的嵌入式微處理器。信息技術的發展使得人們對于嵌入式系統進行網絡互連的功能產生了新的需求，對嵌入式系統的網絡性能更為重視。

1 嵌入式系統的一般概況

1.1 嵌入式系統的發展概況

嵌入式系統主要用于監視、控制或者幫助機器和設備的運行，嵌入式系統是軟硬件結合的系統，對于嵌入式系統的一般定義是以應用為中心，計算機技術為基礎，以達到對應用系統的性能、成本、大小的需求，嵌入式系統主要劃分為三個階段：單片機階段、嵌入式CPU和嵌入式操作系統階段以及SOC和網絡階段。對于單片機階段，主要以功能簡單的單片機為核心，并沒有采用嵌入式操作，系統的結構和功能較為單一。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，使得嵌入式系統的應用更為廣泛，在國防、工農業和交通領域都有應用。在SOC和網絡階段，基于SOC的嵌入式系統的功能更加強大，成本和能耗越來越小，在人們的日常生活中的應用也越來越廣泛。

1.2 ARM處理器的發展研究

嵌入式微型處理器作為整個嵌入式系統的核心，在進行設計時，應該以應用的需求為導向，經過多年的發展，ARM公司己近開發了一系列的ARM處理器核，當前應用最多的系統就是ARM7系列、ARM9系列、ARM11系列以及Cortex系列，未來ARM系統的發展趨勢主要表現在：高性能的ARM核，這些微處理器主要應用于專業領域，對于高性能的ARM核，用于復雜的應用，對于ARM核的成本投入也在減少，在滿足高性能、低成本的基礎上，極大的提高ARM的性能。

2 基于ARM的嵌入式軟硬件系統的設計策略

2.1 硬件系統的設計

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行，所以在選擇時應該特別注意這一功能，對于不需要MMU功能支持的系統可以考慮優先選擇。其次，應該對ARM系統的時鐘頻率進行觀察，系統時鐘頻率是決定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，其頻率可以達到400MHz，在進行選擇時應該根據整個系統的運行情況來決定。還應該考慮的是ARM芯片內置的外部接口控制器的數量，對于ARM芯片應該選擇可以擴展出RS232串行接口、以太網接口等，最好集成有DMA控制器，以保證和外界進行大量的高速數據傳輸。

2.1.2 硬件整體規劃方案

一般來說以ARM系統為核心的軟硬件設計應該是一個支持多平臺的嵌入式平臺，所以在進行硬件系統的整體設計時，為了方便多種ARMCPU的切換，應該在芯片上設計一些小的子板，對于外設電路的設計而言，子母板之間應該通過金手指接口來連接，這樣的設計方法主要具有占用面積小的優點，可以極大地減少制作成本。

2.1.3 存儲器的設計規劃

主要進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格的考慮，對于占用內存較大的系統來說，可以優先考慮SDRAM。對于輔助存儲器來說，主要是用來存放大數據量的程序代碼，所以，輔助存儲器的大小很重要，其中，NANDFLASH內存大、成本低，是選擇的首要對象。

2.2 軟件系統的設計

2.2.1 軟件平臺的架構

對于主流的ARM系統來說主要包括：BoorLoader、系統軟件、圖形用戶界面以及上層應用軟件四個層次，在進行基本結構的架構時，應該對其進行整體性考慮，從不同層次的系統上進行最優選擇，以達到整體效果的最優化。

2 .2.2 嵌入式操作系統的選擇

嵌入式操作系統主要包括：VxWorks、Linux和WinCE，在進行選擇時，應該對三種操作系統的優缺點進行深入研究，了解其基本特點，在進行選擇時可以有針對性的進行設計，軟件系統的操作設計中，Linux是發展最快、應用最廣的，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行多線程、完整優先權、多任務的操作，開發方便、快速，但是也存在著價格過高的缺點。對于VxWorks來說，其具有非常優秀的實時功能，其價格也是很高的，所以開發應用不夠廣泛。

2.2.3 嵌入式GUI的選擇

GUI系統主要包括：高度裁剪的XWindows系 統、MiniGUI、OpenGUI、Qr/Embedded等，對于每一種GUI都有其自身的特征，在進行選擇是需要慎重考慮。對于第一種系統來說，其在運行過程中占用的系統資源較多，加之對中文顯示和中文輸入等本地代碼的使用，使得其運行的消耗更加巨大，所以主要應用于機頂盒等地方。對于第二種系統來說，主要用于提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統，但是其缺少方便的集成開發環境。所以，在進行ARM為基礎的軟硬件系統設計時應該結合多種條件進行綜合考慮。

3 總結

通過對嵌入式系統的功能需求的分析，進行針對性的軟硬件系統設計以滿足不同行業對于微處理器的需求，達到解決實際問題的目的，使得嵌入式系統可以更加廣泛的應用于通訊行業，促進計算機網絡技術的發展。

參考文獻

[1]曹佃國，郭秋云.基于arm和FPGA的嵌入式數控系統設計[J].電子技術（上海），2013 （03）：30-33.

[2]徐敏，一種基于arm的嵌入式網關系統設計與實現[J].現代電子技術，2009 （12）：131-133，136.

[3]楊航，基于arm的嵌入式軟硬件系統設計與實現[J]，求知導刊，2015（09）：60.endprint