嵌入式系統的設計與開發

    關鍵詞：嵌入式系統；設計原則

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

嵌入式系統是先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各個行業的具體應用相結合的產物，這就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。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用計算機系統。簡單地說，嵌入式系統是集系統的應用軟件與硬件于一體，類似于ＰＣ中ＢＩＯＳ的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，因此特別適合于要求實時和多任務的系統。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、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，它不像硬盤那樣有大容量的存儲介質，而大多使用Ｅ-ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ或閃存?Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ?作為存儲介質。軟件部分包括操作系統軟件?要求實時和多任務操作?和應用程序編程。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統則控制著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：

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，能夠把通用ＣＰＵ中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，因此，器件的移動能力大大增強，同時跟網絡的耦合也越來越緊密。

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品同步進行，所以，嵌入式系統產品一旦進入市場，一般都具有較長的生命周期。

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，而不是存貯于磁盤等載體中。

嵌入式系統本身不具備自舉開發能力，即使在設計完成后，用戶也不能對其中的程序進行修改，而是必須有一套開發工具和環境才能進行開發。

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型的嵌入式處理器，嵌入式開發硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在一個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域、用戶的需求、成本、開發的難易程度等因素。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：

●總線的需求?

●有沒有通用串行接口?

●是否需要ＵＳＢ總線?

●有沒有以太網接口?

●系統內部是否需要Ｉ２Ｃ總線和ＳＰＩ總線?

●音頻Ｄ／Ａ連接的ＩＩＳ總線?

●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的信息。在實際過程中，挑選最好的硬件是一項很復雜的工作，充滿著各種顧忌和干擾，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

實時嵌入式系統的種類繁多?大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實時操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型的實時操作系統在價格方面具有優勢，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：

●操作系統的硬件支持；

●開發工具的支持程度；

●能否滿足應用需求。

由此可見，選擇一款既能滿足應用需求，性價比又可達到最佳的實時操作系統，對開發工作的順利開展意義重大。

３　嵌入式系統的開發

圖１是一款ＭＰ３隨身聽的設計框圖。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，完全能滿足需要，空出的微處理器資源還可以實現功能擴展。而且市場中已有成熟的開發平臺，其中三星公司的ＳａｍＡｒｍＤｖｋ就是一個完善的開發環境，它可使開發變得可靠簡單。

４　結論

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