基于ARM的嵌入式软硬件系统设计与实现

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摘 要：随着当今社会的网络技术与计算机技术的高速发展，嵌入式系统越来越多地应用到人们日常生活中，为了学习和研究嵌入式系统，本文介绍了一种基于arm的嵌入式软硬件系统设计思路，本平台兼容多款ARM处理器，可适用于高校教学和进一步的应用开发，对于提高学生对于嵌入式系统的理解有重要作用。

关键词：ARM处理器；嵌入式系统；软硬件协同

1.嵌入式系统的简介

所谓嵌入式系统（Embedded System），实际上是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。嵌入式系统主要由软硬件两个部分构成，硬件是支撑，软件是灵魂，硬件包括嵌入式处理器、嵌入式设备；软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。

嵌入式操作系统相对于通用计算机系统来论具有以下特点：①嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型相比通常具有低功耗，体积小，集成度高的特点。②为提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的应用程序都固化在存储器芯片或单片机本身中。③嵌入式系统本身不具备自举开发能力，设计完成后通常程序功能固定，需要有一套开发工具和环境才能进行开发。④嵌入式系统硬件和具体应用有机结合，升级换代需要同步进行，因此产品具有较长的生命周期。

总结后发现，嵌入式系统的最大特点是具有目的性和针对性，设计的每一套系统都需要安全高效地运用于特定的场合，实现特定的功能。因此学生进行系统设计时必须最大限度地针对软件和硬件进行量身定做。

2.嵌入式处理器概述及其分类

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。从功能上看，应用于嵌入式系统的处理器主要分为4类：嵌入式微处理器（MPU），嵌入式微控制器（MCU），嵌入式DSP处理器（DSP），嵌入式片上操作系统（SOC）。

随着EDA的推广和VLSI设计的普及化以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现更为复杂的系统，即SOC。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的期间，用标准的Verilog语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。整个嵌入式系统大部分可以集成到芯片中，系统电路板变得简洁，对于见效体积和功耗、提高可靠性非常有利，ARM处理器就是SOC架构中的佼佼者。

ARM处理器家族共享同一个基本指令集，即32位ARM指令集。所以ARM的32位RISC的特性使其性能远胜于一般的单片机，既能应付简单的工业控制，也能应用在复杂的控制领域。并且ARM体系结构处理器在功耗、稳定性和成本上具有一定优势。ARM微处理器及其技术已深入到各个领域，将来也会得到更加广泛的应用。

3.系统总体设计方案

设计方案中主要应确定该嵌入式系统设计的功能需求，根据系统功能需求，按照嵌入式开发过程流程，进行硬件系统方案的规划和软件平台方案的设计。鉴于本课题的目标，学生在设计系统时需要遵守两个原则：一是从硬件上满足实验需要，该嵌入式系统需有通用的外设接口和总线扩展接口，使系统可以进一步开发；二是在软件平台方案设计时，要有一整套的软件方案，能满足不同的实验需求。

第一，本系统设计旨在开发能支持多个ARM处理器的嵌入式平台，根据需要和扩展功能的要求，该嵌入式系统需要具有以下外设接口：RS232串行接口、usb接口、以太网接口、触摸屏接口、音频接口、JTAG接口（芯片内部测试）、SD卡接口、键盘数码接口、外括总线接口。第二，考虑到满足实验要求和进一步开发，针对嵌入式软件平台，系统中需要实现一个完整的嵌入式系统，主要包括bootloader的开发，操作系统的移植，根文件系统开发和嵌入式GUI移植。

综上所述，通过研究，设计的嵌入式平台实现了可用于实验和开发的目标，可以满足教学实验中关于微机原理等相关课程的要求。设计出的平台不仅满足了实验需要，同时扩展的接口使该平台作为通用的嵌入式平台可应用于多种场合。

参考文献：

[1]王亚庭.基于ARM与FPGA的高速数据采集技术研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[2]李臻君.基于ARM的PC/104总线嵌入式工控机的研究和实现[D].长沙：湖南大学，2008.

（作者单位：湖北工程学院新技术学院）