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

劉振東

（大連760研究所 遼寧 大連 116000）

1 引言

現(xiàn)階段，嵌入式系統(tǒng)有著十分廣闊的應(yīng)用空間，需要科研人員對(duì)該項(xiàng)系統(tǒng)多加研究，以此設(shè)計(jì)出合理的系統(tǒng)框架，使其可以在基礎(chǔ)教學(xué)、工廠生產(chǎn)中進(jìn)行有效的應(yīng)用，更好的發(fā)揮出對(duì)學(xué)生相關(guān)技能學(xué)習(xí)指導(dǎo)、工廠設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)控等作用。

2 ARM微處理器、嵌入式系統(tǒng)分析

在嵌入式系統(tǒng)中，發(fā)揮著關(guān)鍵性作用的是嵌入式微處理器。其中ARM微處理器，屬于32位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)微處理器。該種微處理器的性能較好、成本極低，因此有著良好的應(yīng)用系統(tǒng)適應(yīng)性，在實(shí)際的應(yīng)用中也可以減少工廠的運(yùn)作成本。

嵌入式系統(tǒng)，指的是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)包括：軟件（系統(tǒng)的應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)）、硬件（系統(tǒng)的設(shè)備、處理器）兩個(gè)部分。這種計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)特點(diǎn)為：較低的能耗，以及較高的集成度，程序開(kāi)發(fā)需要在特定的環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)無(wú)法自行進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)，所有的系統(tǒng)應(yīng)用程序均固定（固化）在芯片中。并且該種系統(tǒng)的性能較為穩(wěn)定，可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行使用。因此學(xué)校和工廠在應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)時(shí)，需要在特定的場(chǎng)合下使用[1]。

3 基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的研究分析

3.1 功能需求的研究

在本文的該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合學(xué)生、工業(yè)生產(chǎn)的需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)中，其系統(tǒng)硬件的接口設(shè)計(jì)，要具有通用性，并且可以滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)分析的需要，且接口也可以進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用。軟件設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)完整的方案。首先在硬件設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)主要分為嵌入式處理器、電源和晶振電路，以及存儲(chǔ)器、外設(shè)的電路這四個(gè)方面的結(jié)構(gòu)。外設(shè)的接口可以分為USB接口、以太網(wǎng)接口、RS232串行接口、SD卡接口等，以適應(yīng)各種不同的需要。其次在軟件設(shè)計(jì)需求方面，需要進(jìn)行操縱系統(tǒng)移植等的開(kāi)發(fā)研究，使得系統(tǒng)的軟件平臺(tái)具有完整性[2]。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

首先，需要選擇合適的ARM微處理器。選擇的該種微處理器芯片需要具備MMU的功能，具有著較高的時(shí)鐘頻率，以此才可以提高處理的工作效率。目前ARM芯片處理器的頻率多處于20～133、100～233兆赫茲，型號(hào)為AMR7/9。同時(shí)選擇的ARM芯片，需要具有較多的外接口控制器和DMA集成控制器，以此提高嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速、大量傳輸。此外，在芯片選擇上，還需要重視成本問(wèn)題，選擇性能質(zhì)量好、價(jià)格適中的芯片即可。本次設(shè)計(jì)中可以選擇型號(hào)為S3C2440、MC9328MX21的ARM9芯片，其均符合上述嵌入式系統(tǒng)微處理器的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足工廠設(shè)備監(jiān)控、學(xué)校教學(xué)所需的各項(xiàng)要求，且價(jià)格較低。其次，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)微處理器、中央處理器之間的有效轉(zhuǎn)換，并且可以在多平臺(tái)上進(jìn)行有效的應(yīng)用。其具體的結(jié)構(gòu)為子母板，設(shè)計(jì)人員可以將系統(tǒng)中涉及的一些重要的電路、外設(shè)電路，按照系統(tǒng)運(yùn)行的需要，分別設(shè)置在子板、母板結(jié)構(gòu)中，并使用金手指接口進(jìn)行有效的聯(lián)結(jié)處理。該種硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較之于單板結(jié)構(gòu)，具有著成本低、占用面積小的特點(diǎn)。最后需要進(jìn)行外設(shè)電路的設(shè)計(jì)。研究中根據(jù)選擇的ARM芯片，選擇相應(yīng)的網(wǎng)路控制器，具體的型號(hào)為CS8900，選擇的接口為以太網(wǎng)。使用的ARM芯片為S3C2440時(shí)，需要通過(guò)芯片本身自帶的觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制；使用MC9328MX21微處理器，進(jìn)行觸摸屏的控制時(shí)，需要借助于AD芯片來(lái)進(jìn)行[3]。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)主要包括：系統(tǒng)軟件、GUI、BootLoader、上層應(yīng)用軟件。其中的系統(tǒng)軟件，包含有操作和文件兩種嵌入式系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)揮著對(duì)硬軟件的資源分配、控制、調(diào)度等作用，以及對(duì)涉及的所有運(yùn)行文件進(jìn)行有效存儲(chǔ)、檢查等多項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。GUI，即就是圖形用戶接口層。用戶在操作該嵌入式系統(tǒng)時(shí)，該功能下提供的設(shè)計(jì)界面，具有著操作簡(jiǎn)單、界面美觀的優(yōu)勢(shì)。較之于以往使用的嵌入式系統(tǒng)，人們不用對(duì)系統(tǒng)的命令進(jìn)行強(qiáng)迫記憶，在操作中，僅需要根據(jù)界面上展示的菜單欄、窗口欄來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作即可。BootLoader，該項(xiàng)軟件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)運(yùn)行中，屬于其中的初始化設(shè)備的代碼、程序，在其運(yùn)行一段時(shí)間后，可以讓該系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行環(huán)境中，促使設(shè)備作用的有效發(fā)揮。最后，則為上層應(yīng)用軟件。系統(tǒng)上層的接口，需要借助于操作系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)。在軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，還要選擇適合的嵌入式操作系統(tǒng)，目前常用的系統(tǒng)類型主要包括：Linux、VXWORKS、WINCE等系統(tǒng)。在Linux系統(tǒng)中，由于其具有著的穩(wěn)定性、可靠性、多任務(wù)性、模塊加載性等特點(diǎn)，在目前的應(yīng)用領(lǐng)域較多，并且該系統(tǒng)可以和多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)良好的適應(yīng)和應(yīng)用。如果嵌入式系統(tǒng)屬于設(shè)計(jì)類的，應(yīng)用該系統(tǒng)的效果較好。另一種系統(tǒng)則為VXWORKS系統(tǒng)，多使用在精密儀器的監(jiān)測(cè)中。該系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中，具有著實(shí)時(shí)性強(qiáng)的熱點(diǎn)，并且可以對(duì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行有效的調(diào)度管理，以及各項(xiàng)信息之間的有效通信處理。但是該系統(tǒng)的使用成本較高。此外，還有WINCE系統(tǒng)，多應(yīng)用在硬件較多的系統(tǒng)運(yùn)行中。該系統(tǒng)在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)的速度較快，并且開(kāi)發(fā)時(shí)的操作較為便捷，其也存在著成本過(guò)高的局限性。在本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以選擇Linux系統(tǒng)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，同時(shí)社會(huì)中的許多行業(yè)對(duì)于掌握了豐富嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的技能型人才有著極大的需求量，因此要設(shè)計(jì)出一款適應(yīng)性較強(qiáng)，可靠性高、占地面積小、性能質(zhì)量好的ARM嵌入式系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)和學(xué)校的有效教學(xué)，提供助益。

[1]胡振國(guó).基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2010.

[2]趙一夔.基于ARMCortex-M3的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2010.

[3]孫毅.基于ARM的手持終端PDA軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2009.

[4]李天佑.嵌入式網(wǎng)管軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，(01)：145-148.