基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計分析

摘 要：在科學技術高速發展的背景下，先進技術的應用，促進了社會各個行業的發展。嵌入式系統就是其中的重要一種，故受到了人們的高度關注。本文首先對APM和嵌入式系統加以闡述，然后設計基于ARM的嵌入式軟硬件系統平臺，希望為相關行業提供借鑒。

關鍵詞：ARM;嵌入式系統;軟硬件系統

引言：ARM處理器是嵌入式微處理器的一種，其應用效果十分顯著。隨著時代的發展，人們對嵌入式系統提出了更高的要求，為滿足人們的要求，應用ARM處理器設計嵌入式軟件和硬件系統，其意義十分重大。

一、ARM和嵌入式系統概述

（一）ARM概述

在嵌入式系統之中，ARM起到的作用尤為關鍵，關系到系統功能的發揮，故在設計過程中，需要將應用作為目的，通過查閱相關資料得知，各種先進科學技術的應用，促進了這項技術的發展，目前，ARM處理器的性能逐漸增強，其生產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，性能提升是其未來發展趨勢，這些高性能的ARM會在高精尖領域取得良好的應用，與此同時，其生產成本也會隨著生產能力的提升而下降。

（二）嵌入式系統概述

就當前實際情況來看，嵌入式系統的應用范圍逐漸廣泛，在監控、控制機器等方面取得了良好的應用，嵌入式系統由兩部分構成，分別為硬件系統和軟件系統。專業領域對嵌入式系統做出了如下定義：以應用為目標，將計算機技術作為基礎，滿足實際需求的系統[1]。

二、基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計分析

（一）基于ARM的嵌入式硬件系統分析

（1）選擇合適的處理器。據了解得知，目前常用ARM處理器為四種。因此，在選擇ARM核的過程中，需要對其是否具備MMU功能進行考慮，只有具備這一功能的ARM核，才能滿足嵌入式硬件系統的設計需求[2]。究其原因，主要是MMU功能決定了ARM核運行的穩定性。但一些系統則與之相反，即使ARM核不具備MMU功能也能夠在系統中有效運行，我們在設計時，可以將這種系統作為主要選擇。由于ARM芯片處理速度會受到時鐘頻率的影響，故設計時還要觀察系統的時鐘頻率，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，在選擇處理器的過程中，應結合系統的運行需要。以某科技企業為例，該企業在綜合考慮各類ARM處理器之間優劣勢后，選擇了9代ARM處理器中的3個種類。ARM處理器具有以下方面的優勢：第一，串行接口數量多;第二，具有可拓展的以太網接口;第三，市場價格低廉。

（2）硬件系統的設計規劃。通過查閱相關資料得知，基于ARM的系統多為嵌入式系統平臺，這個平臺能夠對多個平臺予以支持，故在設計硬件系統的過程中，為增強ARM和CPU之間切換的便捷性，可以將子板設置到芯片之中，在進行外部電路設計時，應使用金手指接口使子母板相連，其目的在于節省空間，并減少成本[3]。

上述企業在考慮多方面的因素后，基于ARM處理器，設計了CPU 子板，且子板間在適用性和運行效率方面存在差異。硬件系統設計規劃如圖1所示。

（3）設計存儲器。選擇不同型號和大小的存儲器是主要的設計目的，由于不同型號的存儲器，在價格和性能上有所差異，因此，在選擇主存儲器時不僅要考慮其存儲容量，還要對價格予以關注[4]。如果系統對存儲量需求較高，則可以選擇SDRAM。例如：在選擇輔助存儲器時，就可以選擇NANDFLASH存儲器，設計外設電路。ARM處理器中都存在內置控制器，使外部電路得到了簡化，故在設計硬件系統的過程中，應選擇合適的嵌入式系統，上述企業在考慮到適配性的基礎上，選擇了CS800嵌入式系統，這個系統適用性較強，且與IEEE802.3以太網標準相符，同時具有各類接口，在I/O模式中可以發揮應有的作用。實踐應用結果表明，這種系統的應用，可以取得良好的應用效果。

（二）基于ARM的軟件系統設計

1.嵌入式軟件軟件系統的構成

目前，最常用的嵌入式系統，其軟件組成部分可以分為以下幾種：（1）系統軟件;（2）上層應用軟件;（3）圖形用戶界面;（4）BootLoader。接下來，本文會對這些軟件構成進行分析：

系統軟件。系統軟件屬于一個集成系統，由兩部分構成，分別是文件系統和操作系統。其中，操作系統屬于一個平臺，可以支持軟件開發。操作系統的應用范圍十分廣泛，其主要功能為資源分配，能夠根據系統設計和運行的需求，對硬件資源和軟件資源進行分配，同時，還能調整和控制任務進度。嵌入式操作系統與普通操作系統相比，除了具備操作系統的基礎性功能之外，還有可剪裁性和實時性等優勢。文件存儲、檢索和更新是嵌入式文件系統的主要功能，但這個系統卻無法保證文件的安全，只能為文件操作提供支持[5]。

圖形用戶界面。圖形用戶界面的應用是計算機技術發展成熟的標志，這項技術的應用，滿足了人們使用計算機的需求，在圖形用戶界面出現之前，人們想要利用計算機完成一系列的操作，需要使用大量的命令，且這些命令十分復雜，難以背誦。而圖形用戶界面應用后，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圖形用戶界面的升級版，具有可靠性高、便于移動等方面的優勢。

應用軟件層。主要是指將嵌入式操作系統作為基礎，通過對操作系統使用，實現軟件開發，以豐富系統的功能。

BootLoader。其中文名是引導加載程序，簡言之屬于一個程序代碼，這段代碼的輸入，是建立內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發設計提供合適的環境。

2.選擇合適的操作系統

目前，常見的嵌入式操作系統有如下幾種：（1）WinCE;（2）VxWorks;（3）Linux。在選擇操作系統的過程中，設計人員應該考慮不同操作系統的優勢和不足，據了解得知，WinCE操作系統的整體性較強，能夠同時運行多項任務，故應用該系統開發軟件，可以縮短硬軟件的開發時間，但在價格方面卻十分昂貴。

3.BootLoader的選擇

通過上文分析可知，BootLoader屬于一個程序代碼，可以把操作系統裝載到存儲器之中，然后向存儲器跳轉，最后運行操作系統即可。初始化硬件和引導操作系統是BootLoader的主要任務，因此，在設計嵌入式系統時應做好BootLoader的選擇。

4.選擇合適的GUI

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

其中高度剪裁的Windows系統在運行過程中，會占用大量的系統資源，并且，本地代碼的輸入，會使系統運行過程中的資源消耗大幅度上升，因此，其應用范圍被局限于系統資源要求偏低的地方，比如：數字電視上的機頂盒。

OpenGUI屬于一種實時系統，但卻無法支持處理器，故不具備良好的跨平臺可移植性，其發展陷入了瓶頸。

MiniGUI屬于一個界面支持系統，其目的在于為Linux嵌入系統提供服務。但這種系統在發展過程中卻出現了問題，具體包括體系結構不完善、開發環境便捷性差、無法支持主流的輸入法。

QT是嵌入式系統的一個版本，其他GUI系統中的程序可以向QT系統中移植，同時具有多個接口，可以支持用戶的自定義設備。但是這種系統所占內存較大，對存儲器容量提出了嚴格的要求，且隨著存儲器技術的發展，這項不足已經被完全彌補，建議設計人員選擇QT作為GUI。

結論：綜上所述，在計算機技術高速發展的背景下，嵌入式系統被廣泛應用于各個領域之中，且取得了良好的應用效果。具體表現為將基于ARM的嵌入式系統作為微型處理器，可以使各行各業對處理器的需求得到滿足。為此，本文在分析ARM和嵌入式系統的基礎上，提出了幾點設計嵌入式軟件系統和硬件系統的建議，以促進硬軟件的開發。

參考文獻：

[1]劉振東.基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計與實現[J].信息記錄材料，2018，19（04）：105-106.

[2]姚夢濤，杭佳，趙漢青，等.基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2017（15）：202.

[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，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的設計與實現[J].計算機測量與控制，2019，27（11）：233-238.

[5]陳皓全.基于嵌入式處理器的數控系統硬件設計分析[J].電子測試，2019（16）：20-21.

作者簡介：

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