嵌入式系统的设计与开发

摘要：嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物，是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。文中介绍了嵌入式系统的基本知识，提出了在嵌入式系统开发过程中应遵循的原则，并结合实例进行了说明。     关键词：嵌入式系统；设计原则 目前，嵌入式技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上ＰＤＡ、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物，这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统一般指非ＰＣ系统。它是以应用为中心、软硬件可裁减的、能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统是集系统的应用软件与硬件于一体，类似于ＰＣ中ＢＩＯＳ的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，因此特别适合于要求实时和多任务的系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。 １　嵌入式系统的基本知识 嵌入式系统是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式系统的硬件部分包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和Ｉ／Ｏ端口、图形控制器等。这种系统有别于一般的计算机处理系统，它不像硬盘那样有大容量的存储介质，而大多使用Ｅ-ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ或闪存?Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ?作为存储介质。软件部分包括操作系统软件?要求实时和多任务操作?和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统则控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比，具有以下特点： １）嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式ＣＰＵ与通用型的最大不同就是，嵌入式ＣＰＵ大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、小体积、高集成度等特点，能够把通用ＣＰＵ中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，因此，器件的移动能力大大增强，同时跟网络的耦合也越来越紧密。 ２）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 ３）因为嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品同步进行，所以，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般都具有较长的生命周期。 ４）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机之中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使在设计完成后，用户也不能对其中的程序进行修改，而是必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 ２　嵌入式系统的选型原则 ２．１ 硬件平台的选择 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后?接下来就是综合考虑系统外围设备的需求情况以选择一款合适的处理器。下面列出考虑系统外围设备的一些因素： ●总线的需求? ●有没有通用串行接口? ●是否需要ＵＳＢ总线? ●有没有以太网接口? ●系统内部是否需要Ｉ２Ｃ总线和ＳＰＩ总线? ●音频Ｄ／Ａ连接的ＩＩＳ总线? ●外设接口? ●系统是否需要Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换器? ●系统是否需要Ｉ／Ｏ控制接口。 另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上的Ｆｌａｓｈ存储器，处理器是否容易调试和仿真以及调试工具的成本和易用性等相关的信息。在实际过程中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌和干扰，包括其它工程的影响以及缺乏完整或准确的信息等。 ２．２ 嵌入式操作系统的选择 实时嵌入式系统的种类繁多?大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Ｌｉｎｕｘ和μＣ／ＯＳ，但是不管选用什么样的系统，都要考虑以下几点： ●操作系统的硬件支持； ●开发工具的支持程度； ●能否满足应用需求。 由此可见，选择一款既能满足应用需求，性价比又可达到最佳的实时操作系统，对开发工作的顺利开展意义重大。 ３　嵌入式系统的开发 图１是一款ＭＰ３随身听的设计框图。它的结构由存储器系统、ＭＰ３压缩模块、ＬＣＤ显示模块、键盘模块、ＲＳ２３２通信接口和ＵＳＢ接口组成，该结构在原有的ＭＰ３播放功能上进行了扩展。该方案选用了ＡＲＭ７微处理器和μＣ／ＯＳ嵌入式操作系统。 对于ＭＰ３压缩数据的解压缩播放，只需要使用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ微处理器架构核心的２５ＭＨｚ工作频率就可以流畅地播放，而ＡＲＭ７ＴＤＭＩ的工作频率最高可达７２ＭＨｚ，建议工作频率为６４ＭＨｚ，完全能满足需要，空出的微处理器资源还可以实现功能扩展。而且市场中已有成熟的开发平台，其中三星公司的ＳａｍＡｒｍＤｖｋ就是一个完善的开发环境，它可使开发变得可靠简单。 ４　结论 信息时代数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇,也为嵌入式市场展现了美好的前景?同时也对嵌入式系统的开发者提出了新的挑战。开发出的产品除了应具有独特的创新功能外,开发者还应遵循一定的原则,只有这样，才能使嵌入式系统产品的开发事半功倍。