嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；設(shè)計(jì)原則

目前，嵌入式技術(shù)已成為通信和消費(fèi)類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上ＰＤＡ、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、電視機(jī)頂盒、手機(jī)上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機(jī)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、蜂窩式電話、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫(yī)療儀器等。

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，這就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般指非ＰＣ系統(tǒng)。它是以應(yīng)用為中心、軟硬件可裁減的、能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡單地說，嵌入式系統(tǒng)是集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件于一體，類似于ＰＣ中ＢＩＯＳ的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。

１　嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)

嵌入式系統(tǒng)是集軟、硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。嵌入式系統(tǒng)的硬件部分包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和Ｉ／Ｏ端口、圖形控制器等。這種系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不像硬盤那樣有大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用Ｅ-ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ或閃存?Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ?作為存儲(chǔ)介質(zhì)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件?要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作?和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)則控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：

１）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，嵌入式ＣＰＵ與通用型的最大不同就是，嵌入式ＣＰＵ大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、小體積、高集成度等特點(diǎn)，能夠把通用ＣＰＵ中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，因此，器件的移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，同時(shí)跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。

２）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競爭力。

３）因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，所以，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，一般都具有較長的生命周期。

４）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)之中，而不是存貯于磁盤等載體中。

嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使在設(shè)計(jì)完成后，用戶也不能對(duì)其中的程序進(jìn)行修改，而是必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。

２　嵌入式系統(tǒng)的選型原則

２．１ 硬件平臺(tái)的選擇

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，嵌入式開發(fā)硬件平臺(tái)的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在一個(gè)系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應(yīng)用的領(lǐng)域、用戶的需求、成本、開發(fā)的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內(nèi)核以后?接下來就是綜合考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況以選擇一款合適的處理器。下面列出考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的一些因素：

●總線的需求?

●有沒有通用串行接口?

●是否需要ＵＳＢ總線?

●有沒有以太網(wǎng)接口?

●系統(tǒng)內(nèi)部是否需要Ｉ２Ｃ總線和ＳＰＩ總線?

●音頻Ｄ／Ａ連接的ＩＩＳ總線?

●外設(shè)接口?

●系統(tǒng)是否需要Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器?

●系統(tǒng)是否需要Ｉ／Ｏ控制接口。

另外，還要考慮處理器的尋址空間，有沒有片上的Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器，處理器是否容易調(diào)試和仿真以及調(diào)試工具的成本和易用性等相關(guān)的信息。在實(shí)際過程中，挑選最好的硬件是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，充滿著各種顧忌和干擾，包括其它工程的影響以及缺乏完整或準(zhǔn)確的信息等。

２．２ 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的種類繁多?大體上可分為兩種：商用型和免費(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價(jià)格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢，目前主要有Ｌｉｎｕｘ和μＣ／ＯＳ，但是不管選用什么樣的系統(tǒng)，都要考慮以下幾點(diǎn)：

●操作系統(tǒng)的硬件支持；

●開發(fā)工具的支持程度；

●能否滿足應(yīng)用需求。

由此可見，選擇一款既能滿足應(yīng)用需求，性價(jià)比又可達(dá)到最佳的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)開發(fā)工作的順利開展意義重大。

３　嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)

圖１是一款ＭＰ３隨身聽的設(shè)計(jì)框圖。它的結(jié)構(gòu)由存儲(chǔ)器系統(tǒng)、ＭＰ３壓縮模塊、ＬＣＤ顯示模塊、鍵盤模塊、ＲＳ２３２通信接口和ＵＳＢ接口組成，該結(jié)構(gòu)在原有的ＭＰ３播放功能上進(jìn)行了擴(kuò)展。該方案選用了ＡＲＭ７微處理器和μＣ／ＯＳ嵌入式操作系統(tǒng)。

對(duì)于ＭＰ３壓縮數(shù)據(jù)的解壓縮播放，只需要使用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ微處理器架構(gòu)核心的２５ＭＨｚ工作頻率就可以流暢地播放，而ＡＲＭ７ＴＤＭＩ的工作頻率最高可達(dá)７２ＭＨｚ，建議工作頻率為６４ＭＨｚ，完全能滿足需要，空出的微處理器資源還可以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。而且市場中已有成熟的開發(fā)平臺(tái)，其中三星公司的ＳａｍＡｒｍＤｖｋ就是一個(gè)完善的開發(fā)環(huán)境，它可使開發(fā)變得可靠簡單。

４　結(jié)論

信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展機(jī)遇,也為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景?同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)。開發(fā)出的產(chǎn)品除了應(yīng)具有獨(dú)特的創(chuàng)新功能外,開發(fā)者還應(yīng)遵循一定的原則,只有這樣，才能使嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)事半功倍。