嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)
關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);設(shè)計(jì)原則
目前,嵌入式技術(shù)已成為通信和消費(fèi)類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備,如掌上PDA、移動計(jì)算設(shè)備、電視機(jī)頂盒、手機(jī)上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機(jī)、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機(jī)、蜂窩式電話、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等。
嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物,這就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)。它是以應(yīng)用為中心、軟硬件可裁減的、能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡單地說,嵌入式系統(tǒng)是集系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)速度快等特點(diǎn),因此特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。
1 嵌入式系統(tǒng)的基本知識
嵌入式系統(tǒng)是集軟、硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。嵌入式系統(tǒng)的硬件部分包括處理器/微處理器、存儲器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。這種系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),它不像硬盤那樣有大容量的存儲介質(zhì),而大多使用E-PROM、EEPROM或閃存?Flash Memory?作為存儲介質(zhì)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件?要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作?和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)則控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比,具有以下特點(diǎn):
1)嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,它通常都具有低功耗、小體積、高集成度等特點(diǎn),能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化,因此,器件的移動能力大大增強(qiáng),同時(shí)跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。
2)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效地設(shè)計(jì),量體裁衣、去除冗余,力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。
3)因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起,它的升級換代也和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行,所以,嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場,一般都具有較長的生命周期。
4)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性,嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機(jī)之中,而不是存貯于磁盤等載體中。
嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力,即使在設(shè)計(jì)完成后,用戶也不能對其中的程序進(jìn)行修改,而是必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。
2 嵌入式系統(tǒng)的選型原則
2.1 硬件平臺的選擇
嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器,嵌入式開發(fā)硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在一個(gè)系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應(yīng)用的領(lǐng)域、用戶的需求、成本、開發(fā)的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內(nèi)核以后?接下來就是綜合考慮系統(tǒng)外圍設(shè)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(tǒng)外圍設(shè)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(wǎng)接口?
●系統(tǒng)內(nèi)部是否需要I2C總線和SPI總線?
●音頻D/A連接的IIS總線?
●外設(shè)接口?
●系統(tǒng)是否需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換器?
●系統(tǒng)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(diào)試和仿真以及調(diào)試工具的成本和易用性等相關(guān)的信息。在實(shí)際過程中,挑選最好的硬件是一項(xiàng)很復(fù)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(zhǔn)確的信息等。
2.2 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇
實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的種類繁多?大體上可分為兩種:商用型和免費(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠,有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù),但往往價(jià)格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢,目前主要有Linux和μC/OS,但是不管選用什么樣的系統(tǒng),都要考慮以下幾點(diǎn):
●操作系統(tǒng)的硬件支持;
●開發(fā)工具的支持程度;
●能否滿足應(yīng)用需求。
由此可見,選擇一款既能滿足應(yīng)用需求,性價(jià)比又可達(dá)到最佳的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),對開發(fā)工作的順利開展意義重大。
3 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)
圖1是一款MP3隨身聽的設(shè)計(jì)框圖。它的結(jié)構(gòu)由存儲器系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)在原有的MP3播放功能上進(jìn)行了擴(kuò)展。該方案選用了ARM7微處理器和μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)。
對于MP3壓縮數(shù)據(jù)的解壓縮播放,只需要使用ARM7TDMI微處理器架構(gòu)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(dá)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(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。而且市場中已有成熟的開發(fā)平臺,其中三星公司的SamArmDvk就是一個(gè)完善的開發(fā)環(huán)境,它可使開發(fā)變得可靠簡單。
4 結(jié)論
信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展機(jī)遇,也為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景?同時(shí)也對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)。開發(fā)出的產(chǎn)品除了應(yīng)具有獨(dú)特的創(chuàng)新功能外,開發(fā)者還應(yīng)遵循一定的原則,只有這樣,才能使嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)事半功倍。
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