兩種新型嵌入式系統開(kāi)發(fā)模式
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一 嵌入式系統定義與應用現狀
對嵌入式系統的一種定義是"嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機系統"。"嵌入性"、"專(zhuān)用性"與"計算機系統"是嵌入式系統的3個(gè)基本要素。嵌入式系統按形態(tài)可分為設備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。從定義中不難看出，當前較多使用的單片機設計與工控機設計也是一種典型的嵌入式系統應用。但是這種早期嵌入式系統在性能與價(jià)格上均存在一些缺陷。
1. 硬件采用單片機設計，軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)
采用這種設計方式，硬件成本低，設備體積小。但由于程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件靈活性、可擴充性、可移植性較差。同時(shí)，作為處理器核心的單片機芯片，無(wú)法提供高速率運算。隨著(zhù)工業(yè)控制要求的不斷提高，采用這一設計方式，無(wú)論在硬件或軟件上都無(wú)法滿(mǎn)足要求。
2. 硬件采用工控機，軟件采用VC++編寫(xiě)
采用工控機作為硬件設備，既能提供處理速度，又適于惡劣
二 新型嵌入式系統介紹與比較
隨著(zhù)嵌入式系統的發(fā)展，出現了很多新模式、新方法。以下在硬件與操作系統兩方面介紹主流嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)。
1. 硬件
目前較多使用的嵌入式系統硬件有ARM芯片與PC/104主板。
(1)ARM芯片
ARM處理器是一種16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器。目前很流行的當屬ARM7和ARM9兩個(gè)系列。隨著(zhù)人們對系統功能提出了更高要求，ARM7在高端應用中已顯得力不從心，性能更強勁的ARM9處理器逐漸占據了高端產(chǎn)品市場(chǎng)。ARM9系列微處理器具有以下特點(diǎn)：5級整數流水線(xiàn)，指令執行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32位AMBA總線(xiàn)接口；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等主流的嵌入式操作系統；支持數據Cache和指令Cache，具有更高的數據和指令處理指令。
(2)PC/104主板
PC/104是工業(yè)嵌入式板卡較多采用的一種規格。采用PC/104規范的主板，再配以微軟操作系統，用戶(hù)就可容易地實(shí)現編程和擴充標準的外圍設備。這些標準的外圍設備包括視頻接口、存儲設備、鍵盤(pán)、網(wǎng)絡(luò )接口、串口、并口、數據采集模塊及其他一些特殊設備。另外，結構上的加固型設計使得PC/104系統可應用到強振動(dòng)及強撞擊等惡劣應用環(huán)境。
(3)比較
ARM芯片與PC/104主板相比較，具有功耗低、體積小、價(jià)格低的優(yōu)勢。但ARM嵌入式系統開(kāi)發(fā)中涉及到ARM仿真器與ARM編譯器的使用，編譯后的最終程序需要導入芯片中。對于沒(méi)有相關(guān)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的工程師，熟悉ARM芯片開(kāi)發(fā)需要一定時(shí)間，設計周期也自然會(huì )延長(cháng)很多。此外，ARM芯片規格較為固定，其各種配置不能靈活改動(dòng)。
PC/104主板能很好地與Windows系統兼容，其開(kāi)發(fā)過(guò)程與普通PC機的開(kāi)發(fā)幾乎沒(méi)有差別，可最大程度地降低開(kāi)發(fā)難度、縮短開(kāi)發(fā)周期。其模塊化的配置方式使其成為低成本、高可靠性、能迅速配置成產(chǎn)品的結構化模塊。與ARM芯片相比，功耗高、體積大、價(jià)格高是其缺點(diǎn)。
2. 操作系統
目前，嵌入式系統常用的操作系統有VxWorks、Linux、Windows。
(1)VxWorks
VxWorks因出現較早、實(shí)時(shí)性強、內核很小、可靠性較高等，所以在北美應用很廣泛。特別是在通信設備等實(shí)時(shí)性要求較高的系統中，幾乎非VxWorks莫屬。VxWorks的很多概念和技術(shù)都和Linux很類(lèi)似，主要是用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。但VxWorks因價(jià)格很高，所以一般應用中很少采用這種操作系統。
(2)Linux
Linux是一種免費、開(kāi)源的操作系統，因此其支持軟件多，可用資源豐富。目前應用在嵌入式領(lǐng)域的Linux系統主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是專(zhuān)為嵌入式設計的已被裁減過(guò)的Linux系統，最常用的是uClinux(不帶MMU功能)，目前占較大應用份額，可應用在A(yíng)RM7上；另一類(lèi)是應用在A(yíng)RM9上，將Linux的內核移植在其上，可使用更多的Linux功能。缺點(diǎn)是一般開(kāi)發(fā)人員不太熟悉Linux，開(kāi)發(fā)難度較大。
(3)Windows
WinCE推出只有幾年時(shí)間，但目前已占據了很大市場(chǎng)份額。由于WinCE開(kāi)發(fā)都是大家熟悉的VC++環(huán)境，所以對于一般的開(kāi)發(fā)人員都不會(huì )有多大難度，這也是WinCE容易被人們接受的原因。開(kāi)發(fā)環(huán)境方便快速，微軟的強大技術(shù)支持，使得WinCE開(kāi)發(fā)難度遠低于嵌入式Linux。此外，WinCE與WindowXP及Win2000的同族性，保證了原來(lái)在PC機上開(kāi)發(fā)的程序可容易移植到嵌入式系統中。
三 新型嵌入式系統開(kāi)發(fā)的兩種模式
綜合各種技術(shù)的特點(diǎn)及嵌入式系統的技術(shù)發(fā)展現狀，給出兩種設計方案：ARM芯片+uClinux操作系統、PC/104主板+WinCE操作系統。
1. 采用ARM芯片+uClinux操作系統設計
這種開(kāi)發(fā)模式在當前非常盛行。ARM芯片功耗低、體積小、極高性?xún)r(jià)比。uClinux操作系統是一種開(kāi)放性、免費操作系統。ARM芯片+uClinux操作系統是將性能與價(jià)格極優(yōu)配置的一種開(kāi)發(fā)模式。
但這種開(kāi)發(fā)模式也有其缺點(diǎn)。首先，對于沒(méi)有相關(guān)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的技術(shù)人員，熟悉ARM芯片與uClinux操作系統需要時(shí)間花費，研發(fā)周期與研發(fā)費用值得考慮。第二，如果原來(lái)已采用工控機方式開(kāi)發(fā)VC++的應用程序，將它移植到uClinux操作系統工作量大。因此，這種
2. 采用PC-104主板+WinCE操作系統設計
這是極便捷的開(kāi)發(fā)模式。在硬件設計時(shí)，與DIY家用電腦一樣，將通信管理機的幾個(gè)模塊組裝在一起即可。這幾個(gè)模塊分別為：PC/104主板、CF存儲卡、電源、機箱。
PC/104主板可采用各大廠(chǎng)商提供的工控主板。目前主流的廠(chǎng)商有研華、研祥、凌華等。不同主板的差別主要有幾點(diǎn)：CPU速度(較高速度為PentiumIV，主流配置為PentiumIII，也可根據需要選擇更低配置)、SDRAM(32M/64M)、接口種類(lèi)與數量(串口、網(wǎng)口、USB口等)、尺寸、功耗等，當然相應的其價(jià)格也有一定差別。
除此以外，還需配置一塊CF存儲卡，一般為64M/128M/256M，根據需要存儲的數據容量選擇CF卡容量。
電源選擇對于整個(gè)設備的穩定性至關(guān)重要。選擇電源時(shí)，需要確定幾個(gè)參數：功率(電源功率在滿(mǎn)足所有配件功耗的基礎上留15～20％裕量)、輸入/輸出電壓規格(輸入一般為AC220V，輸出根據主板的要求為DC5V、DC12V或其他)、過(guò)壓保護、過(guò)流保護、適用溫度、尺寸等。
機箱一般采用標準19英寸機架式設計，一般為2U高度，也可根據內部配件的尺寸設計為4U高度。在面板上安裝相應的接口插頭、插座、開(kāi)關(guān)按鈕等就完成了整個(gè)設備硬件設計。
軟件設計更簡(jiǎn)單。由于采用WinCE操作系統，軟件的開(kāi)發(fā)與一般PC機上的開(kāi)發(fā)完全相同。如果原系統采用工控機設計已有成熟可用的軟件程序，只需將該程序安裝在WinCE操作系統下即可。這種模式對于舊系統的升級更新非常適用，避免了重復勞動(dòng)，也節約了研發(fā)成本縮短了開(kāi)發(fā)周期。而且，WinCE操作系統的價(jià)格非常低。與Windows2000/WindowsXP操作系統的購買(mǎi)成本比較，幾乎可忽略不計。
從研發(fā)角度，PC/104主板+WinCE操作系統模式無(wú)疑是極佳的選擇。從生產(chǎn)角度，PC/104主板在價(jià)格上不及ARM芯片有競爭力，但是與工控機比較優(yōu)勢非常明顯，這種模式非常適于舊系統的升級換代。
四 結束語(yǔ)
采用ARM芯片+uClinux操作系統模式，或者PC/104主板+WinCE操作系統模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)?？筛鶕延信f系統的情況、開(kāi)發(fā)人員情況、開(kāi)發(fā)周期等多方面因素進(jìn)行選擇。
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