基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計與實現

劉振東

（大連760研究所 遼寧 大連 116000）

1 引言

現階段，嵌入式系統有著十分廣闊的應用空間，需要科研人員對該項系統多加研究，以此設計出合理的系統框架，使其可以在基礎教學、工廠生產中進行有效的應用，更好的發揮出對學生相關技能學習指導、工廠設備運行質量監控等作用。

2 ARM微處理器、嵌入式系統分析

在嵌入式系統中，發揮著關鍵性作用的是嵌入式微處理器。其中ARM微處理器，屬于32位精簡指令集計算機微處理器。該種微處理器的性能較好、成本極低，因此有著良好的應用系統適應性，在實際的應用中也可以減少工廠的運作成本。

嵌入式系統，指的是嵌入式計算機系統，結構包括：軟件（系統的應用軟件、操作系統）、硬件（系統的設備、處理器）兩個部分。這種計算機的系統特點為：較低的能耗，以及較高的集成度，程序開發需要在特定的環境中進行開發，系統無法自行進行程序的開發，所有的系統應用程序均固定（固化）在芯片中。并且該種系統的性能較為穩定，可以長時間進行使用。因此學校和工廠在應用嵌入式系統時，需要在特定的場合下使用[1]。

3 基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計、實現的研究分析

3.1 功能需求的研究

在本文的該系統的設計中，需要結合學生、工業生產的需要進行詳細的設計。因此在設計中，其系統硬件的接口設計，要具有通用性，并且可以滿足學校實驗分析的需要，且接口也可以進行擴展應用。軟件設計中，需要設計完整的方案。首先在硬件設計中，其結構主要分為嵌入式處理器、電源和晶振電路，以及存儲器、外設的電路這四個方面的結構。外設的接口可以分為USB接口、以太網接口、RS232串行接口、SD卡接口等，以適應各種不同的需要。其次在軟件設計需求方面，需要進行操縱系統移植等的開發研究，使得系統的軟件平臺具有完整性[2]。

3.2 硬件設計

首先，需要選擇合適的ARM微處理器。選擇的該種微處理器芯片需要具備MMU的功能，具有著較高的時鐘頻率，以此才可以提高處理的工作效率。目前ARM芯片處理器的頻率多處于20～133、100～233兆赫茲，型號為AMR7/9。同時選擇的ARM芯片，需要具有較多的外接口控制器和DMA集成控制器，以此提高嵌入式系統的應用范圍和數量，實現數據信息的快速、大量傳輸。此外，在芯片選擇上，還需要重視成本問題，選擇性能質量好、價格適中的芯片即可。本次設計中可以選擇型號為S3C2440、MC9328MX21的ARM9芯片，其均符合上述嵌入式系統微處理器的選擇標準，可以滿足工廠設備監控、學校教學所需的各項要求，且價格較低。其次，設計硬件系統。本次設計出的系統可以實現微處理器、中央處理器之間的有效轉換，并且可以在多平臺上進行有效的應用。其具體的結構為子母板，設計人員可以將系統中涉及的一些重要的電路、外設電路，按照系統運行的需要，分別設置在子板、母板結構中，并使用金手指接口進行有效的聯結處理。該種硬件系統設計結構較之于單板結構，具有著成本低、占用面積小的特點。最后需要進行外設電路的設計。研究中根據選擇的ARM芯片，選擇相應的網路控制器，具體的型號為CS8900，選擇的接口為以太網。使用的ARM芯片為S3C2440時，需要通過芯片本身自帶的觸摸屏實現控制；使用MC9328MX21微處理器，進行觸摸屏的控制時，需要借助于AD芯片來進行[3]。

3.3 軟件設計

設計中，結構主要包括：系統軟件、GUI、BootLoader、上層應用軟件。其中的系統軟件，包含有操作和文件兩種嵌入式系統。在系統運行中，發揮著對硬軟件的資源分配、控制、調度等作用，以及對涉及的所有運行文件進行有效存儲、檢查等多項功能進行實現。GUI，即就是圖形用戶接口層。用戶在操作該嵌入式系統時，該功能下提供的設計界面，具有著操作簡單、界面美觀的優勢。較之于以往使用的嵌入式系統，人們不用對系統的命令進行強迫記憶，在操作中，僅需要根據界面上展示的菜單欄、窗口欄來進行相應的操作即可。BootLoader，該項軟件結構在系統運行中，屬于其中的初始化設備的代碼、程序，在其運行一段時間后，可以讓該系統處于良好的運行環境中，促使設備作用的有效發揮。最后，則為上層應用軟件。系統上層的接口，需要借助于操作系統，來實現軟件開發。在軟件平臺的設計中，還要選擇適合的嵌入式操作系統，目前常用的系統類型主要包括：Linux、VXWORKS、WINCE等系統。在Linux系統中，由于其具有著的穩定性、可靠性、多任務性、模塊加載性等特點，在目前的應用領域較多，并且該系統可以和多種網絡協議、硬件平臺實現良好的適應和應用。如果嵌入式系統屬于設計類的，應用該系統的效果較好。另一種系統則為VXWORKS系統，多使用在精密儀器的監測中。該系統在實際的應用中，具有著實時性強的熱點，并且可以對系統中的各項任務進行有效的調度管理，以及各項信息之間的有效通信處理。但是該系統的使用成本較高。此外，還有WINCE系統，多應用在硬件較多的系統運行中。該系統在軟件開發時的速度較快，并且開發時的操作較為便捷，其也存在著成本過高的局限性。在本次的系統設計中，可以選擇Linux系統進行軟件開發和應用[4]。

4 結語

目前，我國的工業生產中離不開嵌入式系統的應用，同時社會中的許多行業對于掌握了豐富嵌入式系統相關知識的技能型人才有著極大的需求量，因此要設計出一款適應性較強，可靠性高、占地面積小、性能質量好的ARM嵌入式系統，為工業生產和學校的有效教學，提供助益。

[1]胡振國.基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計與實現[D].電子科技大學，2010.

[2]趙一夔.基于ARMCortex-M3的嵌入式系統設計與實現[D].西安電子科技大學，2010.

[3]孫毅.基于ARM的手持終端PDA軟硬件系統設計[D].杭州電子科技大學，2009.

[4]李天佑.嵌入式網管軟硬件系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2006，(01)：145-148.