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1、浅析嵌入式系统体系结构与开发流程 国防科学技术大学电子与工程学院 龚 剑 林夏菲 摘 要本文从嵌入式系统定义和特点入手,重点分析了典型的32位ARM嵌入式系统体系结构,在此基础上详细叙 述了系统软硬件协同设计技术的开发流程,为进行嵌入式系统设计和开发提供了整体思路。 关键词嵌入式系统 体系结构 开发流程 引言 早期的嵌入式系统中,软件与硬件密不可分,浑然一体,开 发者多是电子工程、 自动控制等领域的工程师,软件基本上都是 用汇编语言实现。 随着软硬件技术的发展,人们对嵌入式系统的 功能要求越来越复杂(比如,手机可以照相、 摄影、 播放M P3,还 可以上网读新闻、 玩游戏、 购物等 ), 而性
2、能(比如,可靠性、 安全 性、 响应速度、 功耗等)要求也越来越高,与此同时,嵌入式软件 的开发与硬件仍然密不可分,从软硬件系统与平台选择、 设计、 开发到测试与集成,整个过程都是软硬件并行交互进行,这样嵌 入式系统开发已经成为一项很复杂的系统工程,因此在进行开 发之前需要对系统的体系结构和开发流程有一个整体的认识。 1嵌入式系统的定义和特点 嵌入式系统是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件 硬件可裁减,适应应用系统对功能、 成本、 体积、 功耗和可靠性严 格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统与通用型系统相比其主要特点是: 1) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用 型系统的
3、最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群 设计的系统中,它通常都具有低功耗、 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 而有利于嵌入式系统设计趋于小型化,移动能力大大增强,与网 络的耦合也越来越紧密。 2) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁 衣、 去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 3) 为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的系统 程序(包括操作系统)和应用程序是浑然一体的,这些程序被编 译连接成一个可以执行的二进制映像文件,然后被固化在系统 存储空间中。 4) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成
4、以 后用户通常也是不能对其中的大部分程序功能进行修改的,所 以嵌入式系统的开发系统和实际运行系统并不是同一个,需要 交叉编译系统和适当的调试系统。 5) 高可靠性和高实时性。即在恶劣的环境或突然断电的情 况下,系统仍然能够正常工作;同时对于特殊的信号、 消息,中断 等有极高的响应。 2嵌入式系统软硬件体系结构 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、 外围硬件设备、 嵌入式实 时操作系统(RTOS)以及特定的应用程序等四部分组成,是集 软? 硬件于一体的可独立工作的 “器件” 。图1. 1所示为典型的32 位ARM嵌入式系统构成框图。在图中,以虚线为分界线,上半 部分为嵌入式系统软件,下半部分为嵌入式系
5、统硬件。 其中软件 部分从下至上依次是驱动层、 操作系统层和应用层。 对于软件部 分,可以依据系统设计的复杂度、 稳定性和扩展性的要求决定是 否采用操作系统。一般对于要求较低和功能单一的的嵌入式系 统可以不使用操作系统,而对于要求功能多样而且功能经常变 化、 可扩展的嵌入式系统,应选择使用操作系统以简化设计。 硬件部分是由嵌入式ARM处理器? 处理器核构成的芯片? 片上系统SOC(System On Chip)? 可编程片上系统SOPC (System On Programmable Chip ), 加上I?O设备、 存储器和人 机接口构成。在实际的嵌入式系统开发中通常根据应用领域和 42 科
6、技信息博士专家论坛 使用环境的不同,选择不同IC公司生产的基于ARM核的SOC 作为系统的核心控制部件。 在嵌入式系统硬件构成中,处理核心 控制部件以外的各种存储器、 输入? 输出接口、 人机接口等都被 称为外围设备。 3嵌入式系统开发流程 嵌入式系统开发通常采用软硬件协同设计,将软件设计和 硬件设计作为一个整体并行设计,找到软硬件的最佳结合点,从 而使系统高效工作,这种设计方法,可以充分利用现有的软硬件 资源,缩短系统开发周期、 降低开发成本、 提高系统性能,避免由 于独立设计软硬件体系结构而带来的弊端。如图1. 2所示,嵌入 式系统开发一般由4个阶段构成:系统描述、 系统设计、 仿真验 证
7、与综合实现。 系统描述是用一种或多种系统级描述语言对所要设计的嵌 入式系统的功能和性能进行全面的描述,建立系统的软硬件模 型的过程。 系统设计又可以分为软硬件功能分配和系统映射两个子过 程。软硬件功能分配就是要确定哪些系统功能由硬件模块来实 现,哪些系统功能由软件模块来实现。 硬件一般能够提供更好的 性能,而软件更容易开发和修改,成本相对较低。系统映射是根 据系统描述和软硬件任务划分的结果,选择系统的软硬件模块 以及其接口的具体实现方法,并将其集成,最终确定系统的体系 结构。这一过程要确定系统将采用哪些硬件模块(如全定制芯 片、M CU、DSP、FPGA、 存储器、I?O接口部件等)、 软件模
8、块(嵌 入式操作系统、 驱动程序、 功能模块等)和软硬件模块之间的通 讯方法(数据总线、 共享存储器、 数据通道等)以及这些模块的具 体实现方法。 仿真验证是检验系统设计正确性的过程。由它对设计结果 的正确性进行评估,以达到避免在系统实现过程中发现问题时 再进行反复修改的目的。 在系统仿真验证的过程中,模拟的工作 环境和实际使用时差异很大,软硬件之间的相互作用方式及作 用效果也就不同,这也使得难以保证系统在真实环境下工作的 可靠性。因此,系统模拟的有效性是有限的。但是选择好的仿真 验证环境对于系统的开发验证往往能起到事半功倍的效果。 软硬件综合实现就是软件、 硬件系统的具体制作。 设计结果 经
9、过仿真验证后,可按系统设计的要求进行系统制作,即按照前 述工作的要求设计硬件软件,并使它们能够协调一致地工作,制 作完成后即可进行现场实验。 结束语 继信息产业之后,嵌入式系统领域已经成为另一种科学,同 时由于网络与通讯的高速进步,带动了信息家电,信息工业的潮 流,嵌入式系统已经成为不可或缺的生活必需品。 它将成为综合 数字处理能力、 管理能力、 控制能力、 通讯能力为一体的系统。 高 性能、 高集成度的系统将是嵌入式系统的发展方向。 参考文献 1吕京建,肖海桥.面向二十一世纪的嵌入式系统.半导体 技术J , 2005, 26(1) 2李林功,李继凯.嵌入式系统的软硬件协同设计.计算机 应用与软件J , 2001, 18 3胡伟. ARM嵌入式系统基础与实践.北京:北京航空航 天大学出版社, 2007. 3 4王田苗.嵌入式系统设计与实例开发基于ARM微 处理器与uC?OS-II实时操作系统.北京:清华大学出版社, 2003. 10 52 科技信息博士专家论坛
