基于ARM的嵌入式软硬件系统设计与实现

姚梦涛+杭佳+赵汉青+贾夏冬+李惠芳

摘要：近年来科技发展越来越快，计算机网络技术以及微电子技术的发展，使得嵌入式系统在各行各业中的应用越来越广泛，传统的嵌入式系统的不足逐渐暴露无遗，ARM嵌入式系统逐渐成为很多行业嵌入式解决方案的最佳选择。本文将对ARM嵌入式系统的一般概况进行研究，得出其设计方法。

【关键词】ARM嵌入式系统 软硬件设计

从单片机产生到现在，其种类发生了很大的变化，各种高性能SOC的设计与应用，使得移动通讯、仪器仪表、工业设备等有了新的功能，作为嵌入式系统的核心，ARM处理器是目前最为先进的嵌入式微处理器。信息技术的发展使得人们对于嵌入式系统进行网络互连的功能产生了新的需求，对嵌入式系统的网络性能更为重视。

1 嵌入式系统的一般概况

1.1 嵌入式系统的发展概况

嵌入式系统主要用于监视、控制或者帮助机器和设备的运行，嵌入式系统是软硬件结合的系统，对于嵌入式系统的一般定义是以应用为中心，计算机技术为基础，以达到对应用系统的性能、成本、大小的需求，嵌入式系统主要划分为三个阶段：单片机阶段、嵌入式CPU和嵌入式操作系统阶段以及SOC和网络阶段。对于单片机阶段，主要以功能简单的单片机为核心，并没有采用嵌入式操作，系统的结构和功能较为单一。在嵌入式CPU和嵌入式操作阶段，多种嵌入式微型处理器和嵌入式操作出现，使得嵌入式系统的应用更为广泛，在国防、工农业和交通领域都有应用。在SOC和网络阶段，基于SOC的嵌入式系统的功能更加强大，成本和能耗越来越小，在人们的日常生活中的应用也越来越广泛。

1.2 ARM处理器的发展研究

嵌入式微型处理器作为整个嵌入式系统的核心，在进行设计时，应该以应用的需求为导向，经过多年的发展，ARM公司己近开发了一系列的ARM处理器核，当前应用最多的系统就是ARM7系列、ARM9系列、ARM11系列以及Cortex系列，未来ARM系统的发展趋势主要表现在：高性能的ARM核，这些微处理器主要应用于专业领域，对于高性能的ARM核，用于复杂的应用，对于ARM核的成本投入也在减少，在满足高性能、低成本的基础上，极大的提高ARM的性能。

2 基于ARM的嵌入式软硬件系统的设计策略

2.1 硬件系统的设计

2.1.1 嵌入式微处理器的选择

ARM芯片主要有三种型号，对于ARM核的选择的决定性因素就是在于是否自带MMU功能，部分ARM核只有在带有MMU功能的前提下才可以运行，所以在选择时应该特别注意这一功能，对于不需要MMU功能支持的系统可以考虑优先选择。其次，应该对ARM系统的时钟频率进行观察，系统时钟频率是决定ARM芯片的处理速度的直接因素，对于频率较高的ARM芯片来说，以ARM9为代表，其频率可以达到400MHz，在進行选择时应该根据整个系统的运行情况来决定。还应该考虑的是ARM芯片内置的外部接口控制器的数量，对于ARM芯片应该选择可以扩展出RS232串行接口、以太网接口等，最好集成有DMA控制器，以保证和外界进行大量的高速数据传输。

2.1.2 硬件整体规划方案

一般来说以ARM系统为核心的软硬件设计应该是一个支持多平台的嵌入式平台，所以在进行硬件系统的整体设计时，为了方便多种ARMCPU的切换，应该在芯片上设计一些小的子板，对于外设电路的设计而言，子母板之间应该通过金手指接口来连接，这样的设计方法主要具有占用面积小的优点，可以极大地减少制作成本。

2.1.3 存储器的设计规划

主要进行的是对主存储器和辅助存储器的大小和型号的选择，对于主存储器的选择主要重在对处理速度和价格的考虑，对于占用内存较大的系统来说，可以优先考虑SDRAM。对于辅助存储器来说，主要是用来存放大数据量的程序代码，所以，辅助存储器的大小很重要，其中，NANDFLASH内存大、成本低，是选择的首要对象。

2.2 软件系统的设计

2.2.1 软件平台的架构

对于主流的ARM系统来说主要包括：BoorLoader、系统软件、图形用户界面以及上层应用软件四个层次，在进行基本结构的架构时，应该对其进行整体性考虑，从不同层次的系统上进行最优选择，以达到整体效果的最优化。

2 .2.2 嵌入式操作系统的选择

嵌入式操作系统主要包括：VxWorks、Linux和WinCE，在进行选择时，应该对三种操作系统的优缺点进行深入研究，了解其基本特点，在进行选择时可以有针对性的进行设计，软件系统的操作设计中，Linux是发展最快、应用最广的，其主要性能较高，成为其首选的重要因素。WinCE是从整体上对于有限资源进行多线程、完整优先权、多任务的操作，开发方便、快速，但是也存在着价格过高的缺点。对于VxWorks来说，其具有非常优秀的实时功能，其价格也是很高的，所以开发应用不够广泛。

2.2.3 嵌入式GUI的选择

GUI系统主要包括：高度裁剪的XWindows系 统、MiniGUI、OpenGUI、Qr/Embedded等，对于每一种GUI都有其自身的特征，在进行选择是需要慎重考虑。对于第一种系统来说，其在运行过程中占用的系统资源较多，加之对中文显示和中文输入等本地代码的使用，使得其运行的消耗更加巨大，所以主要应用于机顶盒等地方。对于第二种系统来说，主要用于提供一个轻量级的图形用户界面支持系统，但是其缺少方便的集成开发环境。所以，在进行ARM为基础的软硬件系统设计时应该结合多种条件进行综合考虑。

3 总结

通过对嵌入式系统的功能需求的分析，进行针对性的软硬件系统设计以满足不同行业对于微处理器的需求，达到解决实际问题的目的，使得嵌入式系统可以更加广泛的应用于通讯行业，促进计算机网络技术的发展。

参考文献

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