嵌入式系統的設計與開(kāi)發(fā)

關(guān)鍵詞：嵌入式系統；設計原則

目前，嵌入式技術(shù)已成為通信和消費類(lèi)產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。嵌入式系統幾乎包括了生活中的所有電器設備，如掌上ＰＤＡ、移動(dòng)計算設備、電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數字電視、多媒體、汽車(chē)、微波爐、數字相機、家庭自動(dòng)化系統、電梯、空調、安全系統、自動(dòng)售貨機、蜂窩式電話(huà)、消費電子設備、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫療儀器等。

嵌入式系統是先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應用相結合的產(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 )新的知識集成系統。嵌入式系統一般指非ＰＣ系統。它是以應用為中心、軟硬件可裁減的、能適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性要求的專(zhuān)用計算機系統。簡(jiǎn)單地說(shuō)，嵌入式系統是集系統的應用軟件與硬件于一體，類(lèi)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。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成。

１　嵌入式系統的基本知識

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

嵌入式計算機系統同通用型計算機系統相比，具有以下特點(diǎn)：

１）嵌入式系統通常是面向特定應用的，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(hù)群設計的系統中，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)集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，因此，器件的移動(dòng)能力大大增強，同時(shí)跟網(wǎng)絡(luò )的耦合也越來(lái)越緊密。

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

３）因為嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，所以，嵌入式系統產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，一般都具有較長(cháng)的生命周期。

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

嵌入式系統本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，即使在設計完成后，用戶(hù)也不能對其中的程序進(jìn)行修改，而是必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

２　嵌入式系統的選型原則

２．１ 硬件平臺的選擇

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

●總線(xiàn)的需求?

●有沒(méi)有通用串行接口?

●是否需要ＵＳＢ總線(xiàn)?

●有沒(méi)有以太網(wǎng)接口?

●系統內部是否需要Ｉ２Ｃ總線(xiàn)和ＳＰＩ總線(xiàn)?

●音頻Ｄ／Ａ連接的ＩＩＳ總線(xiàn)?

●外設接口?

●系統是否需要Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ轉換器?

●系統是否需要Ｉ／Ｏ控制接口。

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

２．２ 嵌入式操作系統的選擇

實(shí)時(shí)嵌入式系統的種類(lèi)繁多?大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統功能穩定、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。免費型的實(shí)時(shí)操作系統在價(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，都要考慮以下幾點(diǎn)：

●操作系統的硬件支持；

●開(kāi)發(fā)工具的支持程度；

●能否滿(mǎn)足應用需求。

由此可見(jiàn)，選擇一款既能滿(mǎn)足應用需求，性?xún)r(jià)比又可達到最佳的實(shí)時(shí)操作系統，對開(kāi)發(fā)工作的順利開(kāi)展意義重大。

３　嵌入式系統的開(kāi)發(fā)

圖１是一款ＭＰ３隨身聽(tīng)的設計框圖。它的結構由存儲器系統、ＭＰ３壓縮模塊、ＬＣＤ顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、ＲＳ２３２通信接口和ＵＳＢ接口組成，該結構在原有的ＭＰ３播放功能上進(jìn)行了擴展。該方案選用了ＡＲＭ７微處理器和μＣ／ＯＳ嵌入式操作系統。

對于ＭＰ３壓縮數據的解壓縮播放，只需要使用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ微處理器架構核心的２５ＭＨｚ工作頻率就可以流暢地播放，而ＡＲＭ７ＴＤＭＩ的工作頻率最高可達７２ＭＨｚ，建議工作頻率為６４ＭＨｚ，完全能滿(mǎn)足需要，空出的微處理器資源還可以實(shí)現功能擴展。而且市場(chǎng)中已有成熟的開(kāi)發(fā)平臺，其中三星公司的ＳａｍＡｒｍＤｖｋ就是一個(gè)完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它可使開(kāi)發(fā)變得可靠簡(jiǎn)單。

４　結論

信息時(shí)代數字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展機遇,也為嵌入式市場(chǎng)展現了美好的前景?同時(shí)也對嵌入式系統的開(kāi)發(fā)者提出了新的挑戰。開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品除了應具有獨特的創(chuàng )新功能外,開(kāi)發(fā)者還應遵循一定的原則,只有這樣，才能使嵌入式系統產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)事半功倍。