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摘要：随着社会经济的繁荣，计算机网络技术和微电子技术的发展使嵌入式系统得到了广泛应用。不过，传统的嵌入式系统已经逐渐无法满足时代发展的需求，ARM嵌入式系统开始成为设计软硬件系统的关键。基于此，本文从嵌入式系统入手，先讨论系统总体设计方案，再分别就系统硬件平台设计和系统软件平台设计进行详细分析，希望给相关研究带来帮助。
关键词：ARM；嵌入式软硬件；系统设计
Design and Analysis of Embedded Software and Hardware System Based on ARM
Mao Zhilin
(Shenzhen Weld Medical Electronics Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong,518118)
Abstract:With the prosperity of social economy,the development of computer network technology and microelectronics technology has made embedded systems widely used.However,traditional embedded systems have gradually been unable to meet the needs of the times,and ARM embedded systems have become the key to designing software and hardware systems.Based on this,this paper starts with the embedded system,first discusses the overall design of the system,and then analyzes the system hardware platform design and system software platform design in detail,hoping to bring help to related research.
Key words:ARM;embedded software and hardware;system design
嵌入式系统在当前得到了广泛应用。ARM嵌入式微处理器作为当前最先进的嵌入式微处理器，只有对其加强研究，才能最大程度地发挥其作用。
一、嵌入式系统概述
(一)嵌入式系统的发展概况
嵌入式系统即嵌入式计算机系统，其组成部分包括硬件和软件。其中，软件有操作系统及系统应用软件，硬件有处理器及系统设备。嵌入式系统的特征在于能耗低、集成度高，并且需要在特定环境下开发程序，全部的系统应用程序都集中于芯片。嵌入式系统性能稳定，能够长期使用，当前已被广泛应用于工业、农业、教学、交通、国防等领域[1]。
(二)ARM处理器的发展研究
在整个嵌入式系统中，嵌入式微型处理器处于核心地位，因此在实际设计时需充分考虑应用需求。经过多年发展，ARM处理器已经出现了ARM7系列、ARM9系列、ARM11系列及Cortex系列，主要优势是性能好、成本低。将微处理器应用于专业领域，可发挥其综合性能强的优势。
二、系统总体设计方案
(一)系统功能需求
本次研究主要面向教学实验和应用开发的嵌入式系统。在设计过程中，在硬件方面，需确保嵌入式平台能通过外设接口满足实验需求；在软件方面，技术人员需配合嵌入式平台设计出整套方案，进而满足不同实验的需要。嵌入式硬件平台包括嵌入式处理器、存储器、电源和晶振电路、外设电路这四大部分(如图1)。为使学生在实验中深入理解嵌入式系统，本次研究开发了多种ARM处理器嵌入式教学实验平台，可通过CPU子板帮助学生加强理解。该系统是完整的嵌入式系统，需要结合实验需求及功能拓展来合理设置外设接口[2]。
图 1 嵌入式系统架构
1.RS232串行接口
RS232串行接口是当前通信工业领域广泛应用的串行接口，能够在低速率串行通信下提高通信距离。本次设计在两个串行接口中分别用于系统调试和系统拓展。
2.USB接口
USB接口的传输速度快、使用便捷，已成为计算机行业的主流接口。本次设计主要对USBHOST和USBDEVICE接口进行设计，目的是满足嵌入式系统及PC机的通信需求。
3.以太网接口
随着信息技术的飞速发展，网络深刻影响着人们的生活，作为嵌入式平台，需具备以太网接口。
4.触摸屏接口
触摸屏在当前的嵌入式系统中是常用的输入输出设备，便于人们进行交互，符合人们的使用习惯[3]。
5.音频接口
音频接口在嵌入式系统和外界交互的过程中具有十分重要的作用。
6.SD卡接口
SD卡是一种使用半导体快闪记忆器的记忆设备，主要用于便携式装置，如数码相机及多媒体播放器等可通过SD卡接口与外部设备进行数据传输。
7.键盘数码管接口
在实验教学过程中，键盘数码管是实验平台不可或缺的一部分。学生既可以在电路上进行小规模实验，也可以借助键盘对外设大型实验进行控制。
嵌入式软件平台的应用主要是为了满足进一步的开发需求。在嵌入式软件平台中开发有针对性的实验可满足学生的学习需求。
(二)硬件方案设计
1.嵌入式微处理器选型
设计人员嵌入式微处理器选型时应选择ARM核，并分析其是否具备MMU功能。究其原因，部分嵌入式系统只有在具备MMU功能的芯片上才能运行，因此ARM720T以上版本的ARM核都带有MMU功能。在选择ARM芯片系统的时钟频率时，需考虑系统时钟频率对ARM芯片处理速度的影响。当前，ARM7系统的时钟频率在20MHz~30MHz，AM9系统时钟是100MHz~233MHz。就ARM芯片内置外部接口控制器的数量来看，需要设置USB接口、RS232串行接口、以太网接口、触摸屏接口、SD卡接口、音频接口，同时，ARM芯片只有依靠DMA控制器的支持，才能提升外界数据高速传输效率。另外，嵌入式平台的成本会直接影响各平台的开发，嵌入式处理器在整个设计过程中占据较多成本[4]。
2.存储器方案设计
本系统以SDRAM作为主存储器，具有处理速度快、成本低等优势。因为本系统在图形用户界面运行时所占内存偏大，所以需要应用较大内存量的SDRAM作为主存储。技术人员可基于这一特征合理选择芯片。辅助存储器的作用是存储大量的数据信息及程序代码，因此，设计人员需要考虑其价格的高低，还要考虑其性能的强弱。综合多方因素，本次设计选择NAND FLASH。
(三)软件方案设计
1.软件平台架构分析
当前，主要的嵌入式系统包括四个层次，分别为上层应用软件、图形用户界面、系统软件及BootLoader，具体如下。第一，BootLoader被称为引导加载程序，也就是系统内核运行之前的一段小程序，有助于硬件设备初始化屏蔽中断，并让系统软硬件环境处于合适状态，进而为操作系统内核运行提供条件。第二，系统软件层，具体包括嵌入式操作系统和嵌入式文件系统。其中，嵌入式操作系统的用途较为广泛，能够高效分配全部的软件和硬件资源。相较于一般操作系统，该系统不仅具有任务调度中断处理和文件处理的作用，还具有良好的稳定性。嵌入式文件系统具备文件检索、存储等功能，可通过系统调用及命令的方式进行文件操作。第三，图形用户接口层的图形用户接口便于非专业用户使用，能提供友好界面，人们无需大量记忆命令便可以直接通过窗口菜单进行操作。嵌入式图形用户接口层具备运行可靠、便于配置、占用资源少等优势。第四，应用软件层。该层是在嵌入式操作系统的前提下调用操作系统，能为上层提供接口软件开发服务。考虑到用户任务时间和精确性的差异，嵌入式应用软件需要保证安全性、稳定性及精准性，同时减少资源消耗。
2.嵌入式操作系统的选择
当前，总共有200多种嵌入式操作系统，Linux、WinCE是比较完善的操作系统，具体优势如下。
(1)Linux
在全部的操作系统中，Linux发展最快、应用最广，主要特征有运行可靠、多任务、实时性。在多任务特征方面，该系统可以实现多任务操作。在实时性方面，该系统可以实时先进先出。另外，Linux操作系统具备模块化加载的特征，并能支持绝大多数的网络协议。一方面，Linux本身是免费系统，能支持信息自主发布；另一方面，在嵌入式系统开发期间，凭借完整的开发工具可有效缩短开发时间。
(2)WinCE
WinCE是微软公司的产品，但并非windows的削弱版本，其能够在整体上成为有限资源平台设计的操作系统。WinCE具有多线程、多任务的特征，通过模块化设计方法，用户可以借助掌上电脑及工控电子设备进行定制，其优势在于快速和便捷，不足之处在于成本偏高。
三、系统硬件平台设计
CPU子板包括ARM芯片、SDRAM模块、电源和晶振模块、子母板接口模块及NANDFlash模块。三块CPU子板的设计方案相同，不过线号线的连接方式不同。
(一)电源和晶振模块
子板需要两种大小不同的电压提供芯片和外部设备，其中包括3.3伏电压和1.2伏电压。由于母板向子板传输电压只有3.3伏的电源电压，因此，在硬件设计过程中需要增加一个电平转换电路。晶振电路在嵌入式硬件电路中是不可或缺的。ARM芯片可通过外接晶振得到主时钟。结合ARM芯片的要求，设计出的ARM芯片晶振频率分别为16.9344MHz(主要用于正常工作模式)和32.768MHz(主要用于休眠模式)[5]。
(二)SDRAM模块
SDRAM这一模块支持两种模式，并且，全部的bank方案周期都可以编程。AT91SAM9263和MC9328MX21这两款ARM芯片都设置了存储控制器，子板的SDRAM接口电路具有相同特点，不过片选信号CS存在区别。
(三)NAND FLASH模块
NAND FLASH这一模块的页面大小包括256 Bytes、512 Bytes、1 KBytes、2 KBytes。对于NAND FLASH，可通过软件模式进行访问，内部集成为硬件ECC。
四、系统软件平台设计
(一)BootLoader的开发
第1阶段包括CPU的硬件初始代码，技术人员通过汇编语言能将第2阶段的代码NAND Flash拷贝到RAM中。受S3C2440启动机制影响，技术人员要将第1段代码控制在4K之内，包括硬件初始化、SDRAM复制、NAND Flash这一流程，然后复制第2阶段代码。
(二)Linux操作系统的移植
在内核配置和编译的过程中，Linux内核中的文件包括Makefile和Kconfig。文件的编译及连接可确保每个目录下都有两个文件，即Makefile和Kconfig，它们共同组成分布式内核配置数据库。Makefile文件用于确定Kconfig文件编译选项对应的源文件，也就是在配置内核过程中选择需要编译的源文件。
(三)课程实验设计
本次设计的教学实验平台包括微机原理及嵌入式系统。同时，该平台进行了键盘和数码管控制流水灯显示、串口通信、触摸屏、控制以太网通信等实验。在数码管和键盘教学实验中，学生可以通过数码管及键盘进行学习，以此为复杂的软硬件模块学习打下基础。在本系统中，键盘模块及数码管主要通过ARM芯片及键盘控制器实现，实验过程包括控制数码管显示数据、显示按键值、控制数码管闪烁。在实验过程中，可通过双向二线制串行通信总线，并区分器件地址。其中，主机为控制器件，需确保同一条总线上的全部地址具有唯一性，不得重复。
五、结语
当下，嵌入式系统正深刻影响着人们的生活，并在车载系统、智能家居等方面得到广泛应用。整体来看，嵌入式系统具有体积小、运行稳定等优势。为进一步满足社会发展需要，相关部门需加强技术性人才培养，设计出占地面积小、可靠性高的全新ARM嵌入式系统，使系统更好地应用于教学、科研等领域。
【参考文献】
[1]张淼.基于ZigBee与ARM嵌入式系统的档案库房环境监控设计研究[J].电子设计工程，2021(13).
[2]张世娇，靳毅轩，杜清河.基于嵌入式Android系统的无线数据采集、传输综合实验设计实现[J].实验技术与管理，2020(9).
[3]周文涛，马国军，丁安.嵌入式海底管线检测系统设计与实现[J].计算机与数字工程，2020(12).
[4]卢延辉，李向瑜，周淑辉.嵌入式系统原理课外实验教学方法研究[J].长春师范大学学报(自然科学版)，2020(1).
[5]郭建，丁继政，朱晓冉.嵌入式实时操作系统内核混合代码的自动化验证框架[J].软件学报，2020(5).
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