基于ARM的嵌入式系统的应用技术

第 12卷第 3期 2009年 7月 西安文理学院学报 :自然科学版 Journal of Xi, an University of A rts & Science (Nat Sci Ed) Vol. 12　No. 3 Jul. 2009 文章编号 : 100825564 (2009) 0320100204 收稿日期 : 2009203211 基金项目 :西安文理学院专项科研基金资助项目 ( KYC200737) 作者简介 :王维新 (1962— ) ,男 ,山东潍坊人 ,西安文理学院机械与电子工程系副教授.研究方向 :自动化和计算机应用. 基于 ARM的嵌入式系统的应用技术 王维新 (西安文理学院 机械与电子工程系 ,陕西 西安 710065) 摘　要 :较详细地分析了基于 ARM的嵌入式系统的技术特点 ,嵌入式系统的开发 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 过程、体系结 构 ,以及硬件和软件的设计方法. 关键词 :嵌入式系统 ; ARM;体系结构 ;硬件 /软件 中图分类号 : TP399　　　　　文献标识码 : A 嵌入式系统是计算机技术、通信技术、微电子技术、语音图象数据传输技术等先进技术和具体应用 对象相结合后的更新换代产品. 系统无多余软件 ,硬件亦无多余存储器 ,可靠性高、体积小、功耗少 ,可应 用于工业控制、通信、国防及家电等领域. 其产品形态丰富多样 ,市场潜力巨大. 总体看来 ,嵌入式系统具 有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点 ,可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中. 从软件 角度来看 ,嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点. 1　嵌入式系统的体系结构 嵌入式系统作为一种特出的计算机系统 ,一般包括 3个方面 :硬件设备、嵌入式操作系统和应有软 件. 如图 1所示. 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成 ,它是集软硬件于一体的可 独立工作的“器件 ”. 嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器 (MCU )组成. 相关支撑硬件包括显示 卡、存储介质 (ROM和 RAM等 )、通讯设备、IC卡或信用卡的读取设备等. 嵌入式系统有别于一般的计 算机处理系统 ,它不具备像硬盘那样大容量的存储介质 ,而大多使用闪存 ( Flash Memory)作为存储介 质. 嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化浏览器 和应用软件等. 嵌入式最小系统硬件结构如图 2所示. 2　嵌入式系统的技术特点 2. 1　系统精简 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产 物 ,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统. 通用计算 机行业中 ,占整个计算机行业 90%的个人电脑产业 ,绝大部分采用的是 Intel的 x86,而芯片厂商则集中 在 Intel, AMD, Cyrix等几家公司 ,操作系统方面更是被微软占居垄断地位. 但这样的情况却不会在嵌入 式系统领域出现. 这是一个分散的 ,充满竞争、机遇与创新的工业 ,没有哪个公司的操作系统和处理器能 够垄断市场. 　第 3期 王维新 :基于 ARM的嵌入式系统的应用技术 图 1　嵌入式系统的体系结构 　　　　　　　　　　　　图 2 　嵌入式最小系统硬件结构示意图 2. 2　专用性强 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的. 嵌入式系统中的 CPU与通用型 CPU的 最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中. 通常 ,嵌入式系统 CPU都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点 ,能够把通用 CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 ,从而有利于整个系统 设计趋于小型化. 在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率 ,去除冗余 ,针对用户的具体 需求 ,对系统进行合理配置 ,才能达到理想性能. 与此同时 ,系统设计还受市场供求关系的影响. 嵌入式 处理器的发展也体现出稳定性 ,一个体系一般要存在 8～10年的时间. 一个体系结构及相关的片上外 设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品合在一起 ,可以构成一套复杂的知识系统. 2. 3　使用周期长 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 ,其升级换代也是和具体产品同步进行的. 因此嵌入式系 统产品一旦进入市场 ,就具有较长的生命周期. 2. 4　高实时性 为了提高执行速度和系统可靠性 ,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中 ,而不 是存贮于磁盘等载体中. 由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制 ,另外 ,由于 大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性 ,因此对程序的质量 ,特别是可靠性 ,有着较高的要求. 图 3　嵌入式系统的开发设计 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 2. 5　专用开发环境 嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的 能力. 在设计完成以后 ,用户如果需要修改其中的程序功 能 ,也必须借助于一套开发工具和环境. 2. 6　标准化 通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算 机工程方面的专业人士 ,而嵌入式系统开发人员却往往 是各个应用领域中的专家 ,这就要求嵌入式系统所支持 的开发工具易学、易用、可靠、高效. 3　嵌入式系统的开发设计 嵌入式系统的开发设计通常涉及软件和硬件两个部 分 ,开发设计流程如图 3所示 在进行嵌入式系统研发的时候 ,如何根据客户的需 求构成一个高效可靠的硬件平台 ,往往是设计者首先需 要考虑的问题之一. 优秀的硬件平台就好象强健的体格 , 它奠定了大脑思维 (软件 )能够充分发挥的基础. 因此 ,在进行硬件设计的时候 ,设计者必须合理地选择 器件、优化设备连接关系、进行细致的功能和时序分析 ,来保证平台的性能和稳定性 ,以满足客户的要 求. 101 西安文理学院学报 :自然科学版 第 12卷 3. 1　系统需求分析 根据项目需求 ,确定设计任务和设计目标 ,对系统的功能、性能、生产成本、功耗、物理尺寸及重量等 方面进行设定 ,并根据这些需求分析 ,制定可行性分析 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 . 3. 2　体系结构设计 描述系统如何实现系统的整体功能需求 ,包括对系统硬件、软件和执行装置的功能划分 ,系统硬件 和软件的组成及设备的选型等. 在嵌入式系统的开发设计中 ,通常很难把系统的硬件和软件完全分开 ,因此 ,在考虑系统整体设计 时 ,应先考虑系统软件的结构 ,然后再设计系统的硬件体系结构和实现方法. 3. 3　硬件 \软件的协同设计 根据体系结构设计结果 ,对系统的硬件、软件进行详细设计. 这一步骤通常也称为“构件设计 ”. 在 体系结构设计中 ,描述的是需要什么样的构件 ,而在构件设计中 ,就是要设计或选择符合体系结构和规 格说明中所需的构件. 构件通常包括硬件 ,如芯片、外围设备、电路板等 ,也包括软件系统及设计模块. 3. 4　系统集成 把系统的硬件、软件和执行装置集成在一起 ,以得到一个可以运行的目标系统. 在目标系统调试过 程中 ,通常还会发现前面的流程在设计上的问题和不足 ,良好的设计可以帮助开发人员快速发现系统中 的问题并加以改正. 3. 5　完成测试并形成产品 把设计好的系统放在实际运行环境中进行测试 ,检验系统是否满足实际应用需要. 经过多种环境测 试合格后 ,可以形成系统性的产品. 4　嵌入式系统的应用 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在进行嵌入式系统应用设计时 ,首先要确定目标系统. 所谓的目标系统 ,是指嵌入式系统 ARM处 理器运行的环境 ,可以是运行时的硬件系统 ,或者仿真时的模拟环境. 它的主要功能是根据主系统的指 令 ,完成数据的实时采集和远程传输 ,并且时刻监控各个子点的状况 ,还要把整个子系统的状态信息及 图 4　系统总体结构 时地反馈给住系统. 4. 1　系统总体结构 嵌入式系统是电工电子装置、计算机软硬件以及网 络、通信等多方面的有机组合体。它以智能化、网络化、 交互性为特征 ,结构比较复杂. 如果利用 OSI7层模型的 内容和形式 ,把相应的数据采集控制模块硬件和应用软 件以及应用环境有机结合 ,就可以形成一个统一的系统 总体结构如图 4所示. 4. 2　硬件平台设计 根据系统体系结构设计的嵌入式目标控制系统 ,进 行硬件平台设计. 选择嵌入式系统的处理器及常用的外 围设备 (如 SDRAM、FLASH、RS - 232串行口等 )实现无缝连接 ,从而简化了外围电路的设计 ,降低了产 品成本、体积和功耗. 硬件设计也可以构成最小系统的设计. 最小系统是指 ARM能够稳定运行所需要的最基本的条件. 同单片机一样 , ARM最小系统也包括电源、时钟源、复位电路、代码和数据存放空间、合理的管脚设置以 及必要的调试接口等要素 ,如图 2所示. 4. 3　软件设计与实现 4. 3. 1　嵌入式软件的特点 嵌入式软件 ( Firmware)通常是整个嵌入式系统的控制和管理中心 ,是实现项目要求的系统功能的 关键 ,其质量直接影响整个系统的性能. 嵌入式软件运行的环境、载体、功能要求等特性 ,使其与计算机 201 　第 3期 王维新 :基于 ARM的嵌入式系统的应用技术 软件开发具有许多差异. (1)嵌入式软件设计时更强调软硬件协同工作的效率和稳定性. (2)嵌入式软件的结果通常需要固化在目标系统的存储器或处理器内部存储资源中 ,而不是存放 在硬盘中. (3)嵌入式软件的开发一般需要开发工具、目标设备等. (4)嵌入式软件对实时性的要求更高. (5)嵌入式软件对抗干扰性和可靠性的要求也较高. (6)嵌入式软件的代码大小通常也是需要考虑的. 理解了嵌入式软件的这些特点 ,有助于帮助设计者开发出高质量、高稳定性的产品. 4. 3. 2　嵌入式软件的设计流程 嵌入式软件的设计流程与计算机上的程序设计 ,在主要环节上基本上是一致的 ,但还具有一些自身 的特点 ,程序设计的方法也会因项目结构和目标系统等因素而存在差异. 在编写嵌入式系统应用程序 时 ,可以采取如下几个步骤 : (1)需求定义 　整理清楚设计的要求 ,并且将项目要求转化为设计输入 ,形成设计需求文档和初步 的测试文档 ,通过与团队和指导老师逐步进行谈论之后 ,确定设计目标. (2)资源准备 　列出在设计过程中 ,会用到的设计工具、设计环境设计板、测试仪器等设备 ,以及在 软件测试时用到的资源等. (3)任务和时间表规划. (4)人员规划 　确定每个软件模块的负责人. (5)整理设计输入文档 　在开始进行具体设计之前 ,必须确定某些文档 ,例如系统接口定义、内部 模块功能和相互之间的接口定义、性能要求、测试方法、版本管理方法等. (6)程序设计 　在正确的项目分支上进行程序编写与调试. (7)程序测试 　包括模块测试、子系统测试、整机测试等不同范围的检测 ,还有功能测试、可靠性测 试、兼容性测试等不同内容的测试. (8)结果验证 　检查程序结果是否与预期的相互吻合. 4. 3. 3　嵌入式软件的结构 基于 ARM的嵌入式软件通常需要一段汇编代码作为启动代码来完成处理器运行环境的初始化等 操作 ,然后设计者可以跳转到用 C /C + +等高级语言编写的应用程序中 ,也可以进入某个嵌入式操作系 统中开始任务的调度 ,当然所有代码可以全部由汇编语言完成. ADS、SDT等集成开发环境都提供了完 备的运行时库供设计者引用. 简单地说 ,嵌入式软件包括了启动代码、应用程序、头文件、库文件和某些 专用的开发工具等几个主要部分. [参 　考 　文 　献 ] [ 1 ]　张思民. 嵌入式系统与应用 [M ]. 北京 :清华大学大学出版社 , 2008: 10 - 16. [ 2 ]　刘岚 ,尹勇 ,李京薇. 基于 ARM的嵌入式系统开发 [M ]. 北京 :电子工业出版社 , 2008: 34 - 78. [ 3 ]　陈渝. 嵌入式系统原理及应用开发 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2008: 210 - 336. [责任编辑 　马云彤 ] Applica tion of ARM - ba sed Em bedded System WANG W ei2xin (Department ofMechanical and Electronic Engineering, Xi’an University of A rts and Science, Xi’an 710065, China) Abstract: W ith the development of information technology, embedded system s have become a very hot top ic in IT industry. Embedded system is a newly - developed p roduct p roduced by the combination of such advanced technologies as computer tech2 nology, communications technology, m icroelectronic technology, voice, image data transm ission technology and their specific ob2 jects. In this paper, the technical characteristics, the development of design p rocess, architecture, as well as hardware and soft2 ware design methods of the system are analyzed in details. Key words: embedded system; ARM; architecture; hardware / software 301