嵌入式设计系统精品(七篇)
嵌入式设计系统篇(1)
关键词：Linux；ARM9；嵌入式系统
中图分类号：TP316.81 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 11-0000-02
ARM9-Based Embedded System Design
Liu Xiwen
(China Shipbuilding Industry Corporation 715 Institute,Hangzhou310012,China)
Abstract:This paper Tames's AT91SAM9261 processor core,gives the embedded system design,development ideas.Brief description of the embedded operating system development,focusing on analysis of embedded systems development environment set up;Ethernet port,USB interface,UART interface design;embedded systems software development,file system migration.
Keywords:Linux;ARM9;Embedded systems
一、概述
嵌入式系统是一种智能部件内装于专用设备的高速计算机，它的主要功能是作为一个大型工程系统中的信息处理部件来控制专门的硬件设备。嵌入式计算机系统广泛地用于办公自动化、消费、通信、汽车、工业和军事领域。
嵌入式的典型应用有：过程控制；通讯设备；智能仪器；消费产品；机器人；计算机外设设备：打印机，终端，磁盘驱动器；军事电子设备和现代武器等。
二、嵌入式操作系统
近十年来，嵌入式系统得到了飞速的发展，嵌入式系统的运行离不开嵌入式操作系统。从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块如：文件系统TCP/IP网络系统、GUI图型系统等。
据嵌入式系统杂志的最新报告，世界各国有四十多家公司，已成功的推出了百余种可供嵌入式应用的实时操作系统，其中几个著名的操作系统是Mentor公司的VRTX，Integrated System公司（ISI）的pSOS，Wind River公司的Vx Works等，这些操作系统适用于实时、多任务应用环境，而且还具有相应的功能齐全的交叉开发环境。
目前嵌入式实时操作系统及其应用开发环境的发展动向是：
（一）嵌入式实时操作系统正向实时超微内核开放发展
近几年，国外发展了一种基于微内核思想设计的精巧的嵌入式微内核，即实时超微内核，超微内核是一种非常紧凑的基本内核代码层，为嵌入式应用提供了可抢占，快而确定的实时服务，在它的基础上可以灵活地构造各种类型的，与现成系统兼容的，可伸缩的嵌入式实时操作系统。能满足应用代码的可重用和可伸缩性（scalability）的需求。Microtec已首先推出了基于实时超微内核的嵌入式实时操作系统VRTXsa，它与VRTX32兼容，并具有更强的功能实时性和可靠性有了很大的改进。
（二）开发环境向开放、集成化的方向发展
由于嵌入式应用软件的特殊性，往往要求应用程序设计者具有一定的实时操作系统的专门知识，能合理地划分任务，合理的配置系统以及目标联机的调试。因此，要设计实现一个高性能的实时应用软件，需要强有力的交叉开发工具系统的支持，国外十分重视发展与实时操作系统配合的嵌入式应用的集成开发环境，现已发展到第三代，它以客户服务器的系统结构为基础，具有运行系统的无关性，连接的无关性的特点。
1993年，MICROTEC推出了世界上最先进的第三代嵌入式集成交叉开发系统Spectra（现称为VRTX开发系统），该系统可在UNIX及WINDOWSNT上建立起开放的网络环境的交叉开发平台，能将多来源的开发工具有机地结成一体对复杂的嵌入式应用开发提供全过程支持。
（三）完整的解决方案
RTOS厂家本身或与其他软件公司和半导体公司配合为典型应用提供解决方案，如PDA、机顶盒、路由器等。
三、嵌入式系统软件的开发环境
构建一个复杂的嵌入式系统，仅有硬件是不够的，我们还需要进行操作系统的移植。我们通常在ARM平台上构建Windows CE、Linux、PalmOS等操作系统，其中Linux具有开放源代码的优点。基于ARM的嵌入式系统设计包含以下内容：
1.基于嵌入式处理器的硬件设计；
2.底层软件平台搭建；
3.Bootloader的移植；
4.嵌入式Linux操作系统内核的移植；
5.嵌入式Linux操作系统根文件系统的创建；
6.电路板上外设Linux驱动程序的编写。
由于嵌入式实时应用系统的软件开发受到时间、空间开销的限制。常常需要在专门的开发平台上进行软件的交叉开发，其交叉开发环境如图1所示。
图1.嵌入式系统开发环境
开发平台称为宿主机，应用系统称作目标机，宿主机可以是与目标机相同或不相同的机型。这种不同机型的开发平台又称作交叉式开发系统。显然，在这种独立的实时软件开发系统上，应配备完整的实时软件开发的工具：如高级语言、在线调试器和在线仿真器等。
四、嵌入式系统硬件设计
本文嵌入式系统硬件核心采用32位高性能ARM9处理器，外扩存储器、USB接口、网口、液晶屏、按键等组成。系统整体架构如图2所示：
图2.系统硬件整体架构
核心模块（图2虚线框内）选用CPU为AT91SAM9261，它是一款以ARM926EJ-S处理器为核心的超低功耗微控制器。该型号专为功耗低、数据吞吐量大的无线手持式应用市场而开发的，其待机电流仅为2.5μA；工作频率500Hz时，电流消耗则为400μA。在工业级温度范围内，处理器性能达到200MIPS时，即使所有外设开启，其工作电流也仅仅是65mA。
（一）AT91SAM9261的主要特性
多层式高速总线内部架构及专用的外设DMA；大容量片上SRAM和灵活的确定过程式TCM支持机制，AT91SAM9261设有16K字节的数据高速缓存、16K字节的指令／写操作缓存、160K字节的200MHz单循环存取SRAM，以及USB器件专用的2K字节内置式DPRAM。Atmel公司充分发挥了ARM926EJ-S紧密式耦合内存构架之优势，让传统（非高速缓存）SRAM直接连接到ARM处理器上而不会出现滞后情况。
嵌入式设计系统篇(2)
关键词：传感器网络；道路监控系统；图像识别；车载嵌入式系统
一、概述
如今，数量众多的车辆都嵌入了GPS。作为车载模块，GPS可以相对有效地储存一些静态兴趣点(staticPointsOfInterest)的位置信息(如家庭，公司和商场信息等等)。然而，GPS还不能获得更多的信息用来判定一些动态兴趣点(dynamicalPointsOfInterest)的位置信息(如动态的车辆信息，路人信息或动态的车位空闲状态信息)［1］。随着嵌入式技术的发展，越来越多的感知模块也被嵌入到车辆当中，用以辅助提升整车的智能化。我们可以将车辆的GPS模块和摄像模块进行整合再开发，用以侦测动态的兴趣点。更进一步的，借助诸如车载自组网等类似技术，将分散用户采集的数据快速有效收集至云端处理，进而分析得出实时的空闲车位，事故状况等详细信息可以被共享给更多用户。
二、理论设计
首先，装备了车载摄像系统的车辆负责采集原始图像，并搜寻最佳的数据链路将图像数据传送至路边基站(RSU:RoadSideUnit)。图像信息再由RSU转送至云服务器(CCS:CloudComputingSystem)。根据客户不同的需求，实时的图像可以被分类解析出不同的结果，以满足不同的需求。系统可用于寻找可用的空闲车位。车辆巡弋道路的同时，通过摄像模块捕捉街景用以搜寻可用的空闲停车位(图中扇形探索区域)，通过GPS模块采集地理位置等相关信息。这些图像信息经由RSU被上传至CCS，云端程序将对图像进行分析，并据此更新数据库中可用空闲车位的时间和位置。在客户端，那些激活车位搜寻功能的车辆可以接收到实时的信息，并由系统引导至可用的停车位。
三、系统实现
为协助客户搜寻目标车辆和目标人物，描述了数据传输和数据分析的过程:车载端完成对图像的实时采集、地理坐标的标注和图像的加密压缩;路边基站RSU接收车载端的数据，并将这些数据合理上传至CCS;在CCS中，数据首先需要被解密解压，而后车牌的识别，人脸的识别等相关算法可以对数据进行处理分析，再由各自动化脚本对处理所得的结果，进行数据比对和数据库更新的工作。整个车载端模型以RaspberryPi微处理器为中心，扩展以摄像模块进行图像采集，GPS模块地理位置采集，以及电源、网卡等其他模块。RSU将由两台PC进行模拟，多个自动化脚本进行网络配置、文件管理和流量控制。图像信息将经由此上传至CCS。CCS采用AmazonElasticComputeCloud实现，服务器将配置数据库、网页服务器和文件管理等诸多系统，同时核心的图像解析程序，也将由服务器自动调用，并根据处理结果，更新数据库信息。图像处理部分，使用C#语言和Emgu库解析图像，提取人脸信息，读取车牌信息。车载端将拍摄的街景经由RSU上传至云端，云系统将对采集的图像数据进行分析。之后，系统将解析出的人脸和车牌，与客户所要搜寻的目标进行比对，反馈一组可能的人或车辆，以及相应的地理位置和时间信息。如果某一目标得到客户的确认，则根据其GPS信息和时间标签等数据，系统会将目标出现的轨迹绘制在以GoogleMap为基础的网页上。
四、结束语
文中设计了一款新颖的道路监控系统构架，据此完成了实验室模型，并为模型开发了车牌识别和人脸读取的应用。通过这些实践，表明了该理论设计可以支持对动态兴趣点的检测和定位。
参考文献:
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嵌入式设计系统篇(3)
对于嵌入式数据库系统是利用计算机的技术，并且是可以根据软硬件的不同要求进行指定应用，这样可以满足系统在应用时对功能和可靠性的要求。在嵌入式系统运行时，其都是隐藏于内部的设备中，不是通过计算机的形式显示出来。如果在系统中加入了嵌入式的数据库系统，一般会认为是智能的系统。在嵌入式数据库系统中必须融入计算机技术、电子技术和新兴的半导体技术，这些技术完美的结合才能成就嵌入式数据库系统正常可靠的运行。因此，嵌入式数据库系统是一个要求有技术支持，并且资金足够，在知识系统的创造上也必须合理的系统。在对嵌入式数据库系统进行结构分类时，其主要是分为嵌入式的处理器和的一些构件。在数据发展的历史上分析，一般计算机技术的发展会促进数据库的发展，同样反过来也一样。这两项技术在历史的发展中都是相互促进并且相互影响的。在嵌入式数据库系统中一个主要的用途就是移动数据的处理。移动数据技术可以实现不受时间以及地点的限制，进行数据的交流。现在技术在不断地提升，在无线通信的网络服务和各种形式的移动的设备，这些都是要建立在嵌入式数据库系统之上的。虽然，嵌入式数据库比较复杂，但是其用途很广泛。
2对嵌入式数据库系统设计的研究
2.1嵌入式数据库系统设计的含义
为了满足嵌入式数据库系统设计的各种功能及标准上的要求，一般分为嵌入式的数据库、PC主数据源和同步模块这几个部分，在这些构成部分之中，微型化的嵌入式的数据库系统的设计具有最高技术性和应用性以及容易携带的特点，这就是嵌入式数据库系统设计的一般含义。这三个构成部分，其中微型化嵌入式数据库有数据的容量比较小，其可靠程度比较低的缺点，但是这点在PC主数据源中会有弥补，因为PC主数据源只能用于PC机中，这样就不能按照意愿进行移动。在这些构件的中间部分是同步模块，这个部分可以进行数据的双方向的交换，将数据在嵌入式数据库和主数据源之间进行传递，保证信息传递的及时性和一致性。因此，我们可以把同步模块作为信息交流的桥梁。只有嵌入式数据库设计中三个部分合理的结合应用，才可以互相补差补漏，既可以有嵌入式数据库的便于携带的优势，又可以获得大量的数据，这样对于想要随时获得大量信息的用户来说，就得到了满足。通过三种部件互相结合的方式，就是嵌入式数据库系统设计的主要方式。
2.2嵌入式数据库系统设计的特点
在传统的计算机系统的结构体系的设计中，一般采用固定的网络连接对不同的计算结点之间连接，这样可以保证网络能够连续的连接。但是随着移动数据技术的发展，它要求固定的节点和移动的结点相结合，那么以前传统的网络连接就不能够满足条件。对于移动数据库，其要求的性能比较高，所以要求有嵌入式数据库系统的设计，这种设计是建立在传统分布式的数据库的建设上进行拓展而来的。现在的移动数据库是把固定的服务器节点和客户端进行连接以获取动态的数据，因此可以将移动计算机环境中的数据库管理系统看作是动态式的数据库管理系统。从根本上来说，传统的数据库的设计和嵌入式数据库系统设计有着很多不同点，如果在移动的计算机环境下进行移动数据的应用就是嵌入式的数据库系统，这种可移动的特点优于传统数据库设计。嵌入式数据库系统设计主要特点是包括有对标准的SQL进行技术支持，对事务的管理功能和完备的数据库管理功能，可以供多种嵌入型操作系统的应用。
3嵌入式数据库系统设计的技术和应用前景
3.1嵌入式数据库系统设计的主要技术
嵌入式数据库系统设计其中一项主要技术就是数据的复制和缓存的功能。通过这项技术可以将需要维护和备份的数据在不同的多个移动的网络节点之间进行复制备存。在嵌入式数据库系统设计中的这项功能主要是进行服务器之间的复制数据和移动的计算机数据信息之间的复制和保存。从严格意义上来说，只有服务器之间进行的复制才能被称为数据的复制，而计算机上所保存的数据进行复制就是属于数据的缓存。复制可以提升分布式的数据库的可靠程度和访问的性能，但是必须保证多个复制节点在数据上的一致性。根据维护复制的功能上所采取的技术方法的不同，就可以将复制功能分为严格一致性和弱一致性。在嵌入式数据库系统设计的复制和缓存技术中，如果要求严格的一致性就要保证在无论何时复制的数据信息其内容都是一致的，但是对一致性的要求比较弱，那么可以允许在较短的时间内有不相同的现象的出现。但是我们要求其不同的数据不能太多，必须控制在一定的范围之内，并且最终随着时间的演变是能够趋向相同的。对于嵌入式数据库系统设计的另一个技术就是数据广播。这项技术是应用于移动的计算环境之下，关于客户的机器和总的服务器双方是不对称的，正好应用了这一点，就可以用类似于周期式的形式来传递数据和信息。通过数据广播技术可以帮助处理数据库系统的断接问题，并且不会因为用户的数量的变化而发生变化。对于数据广播技术的构造中一个方面是服务器，这个层面是用来进行组织广播和调节数据，可以对广播数据进行本地缓存。因此，复制缓存技术和数据广播都是嵌入式数据库系统设计的主要技术。
3.2嵌入式数据库系统设计的应用前景
随着物流业的逐渐发展壮大，嵌入式移动数据库系统设计也可以应用在物流方面。采用嵌入式数据库系统设计，可以对物流的信息进行准确的跟踪，对生产、销售和运输过程中的资金进行合理的安排。在物流的运输工作中，可以利用嵌入式数据库系统技术将车辆信息中移动的数据信息进行传递，从而保证物流车辆在运输过程中的一切行踪都在总系统的控制范围内。通过嵌入式数据库设计可以将手写的信息用无线的网络传入中央的数据库来存储，这样有利于物流信息的更新和保存。同时，嵌入式移动数据的技术也可以应用于移动的银行。目前，我国的移动用户的群体在逐渐的扩大，所以银行移动化也是大势所趋。嵌入式数据库系统设计在移动银行上进行应用，可以帮助用户进行实时的账务查询和交易，增加了灵活性。移动银行的用户可以不受时间和地点的限制，来办理银行业务，从而也节省了大量的时间。在水电业中，对于数据传统上的采集方法是进行家家户户的抄录数据，现在则可以利用嵌入式数据库技术进行移动的传输数据，从而提高了工作效率。
4结束语
嵌入式设计系统篇(4)
【关键词】ARM;嵌入式系统;硬件设计研究
一、前言
研究了数控系统中所能用到的各类控制接口，将接口控制逻辑语言做了进一步的改换更新。并且，通过将这些研究成果进行整合与设计，实现了嵌入式数控系统硬件平台的总体设计内容。将该方案付诸实践应用以后，系统通过了稳定性测评，符合实际生产操作的要求。经仔细测试与研究而知，基于ARM的嵌入式系统硬件设计具备可行性，针对该内容的研究有一定的实践价值。
二、基于ARM的嵌入式系统硬件平台的整体方案设计
对于数控系统的方案设计过程来说，该项设计内容要能够符合整体数控操作系统的要求，才能称之为完善的设计方案。数控装置实质上是通过计算机技术的支撑来搭建的操作控制硬件平台。在传统的数控系统构造的基础上，基于ARM的嵌入式数控系统硬件平台的功能有了较大的改善，为实际生产工作带来了诸多便利。
（一）嵌入式系统硬件架构概述
近年来，随着我国传统制造行业改革进程的不断推进，数控机床设备的应用对于实际生产能效至关重要，提高了生产单位的综合生产效率，保障了各项生产管理环节的有序进行。可见，自动化的数控系统及相关设备的应用给社会创造出了更多的价值。通常情况下，数控机床系统是由多个装置与程序所组成，该系统实际上是经多个子系统整合而成，包括有数控装置（系统）、驱动装置（系统）、输入/输出系统及程序，其中驱动系统还包括主轴驱动、逻辑控制、位置控制三项内容，分别对应机床设备中的主轴电机、逻辑数据控制与进给电机部分[1]。另外，通过系统检测环节的处理为数控装置系统提供必要的反馈结果，以备数据输出或进入下一个数控循环系统中进行操作处理。
（二）嵌入式系统硬件平台设计
从整个系统的实际功能来看，嵌入式系统硬件平台的设计是系统运作的物质基础，而软件系统则是系统装置的灵魂[2]。嵌入式系统硬件平台的设计原则要遵循系统的实用性与稳定性，而且要与软件系统互相兼容，共同维护整个系统的正常运转。现今，我国在某些重点行业采用的嵌入式系统硬件设备的性能极高，不仅采用了高性能多处理器装备，还运用了高速工业现场总线的硬件结构，进而令整体嵌入式系统的性能更加完善。
三、基于ARM的嵌入式系统硬件的设计细节内容研究
现阶段，我国专家学者对于数控系统内容的探究一直在继续，因其对社会生产实践具有极大的研究价值。随着电子计算机技术及网络信息技术的迅猛发展，嵌入式数控系统的硬件设计内容也进行了多次的改革，使得升级后的硬件系统更能够符合现代工农业生产对技术领域的要求。
（一）ARM及数控系统运行
ARM是微处理器的代名词，ARM体系结构从构建伊始至今发生了较大的变化，且仍在不断的探索之中[3]。一段时期以来，ARM的变革制约着嵌入式系统的整体设计内容的革新。目前，传统的八位单片机已经暴露了本身资源有限的发展劣势，越加不适应日渐复杂的实际应用需求，而随着三十二位处理器价格的不断萎缩，采取更高性能的三十二位处理器作为嵌入式系统的核心成为更加合理的选择。
（二）ARM接口设计
ARM接口设计的内容主要包含了显示器接口、太网接口及USB接口等，通过各类接口的设计来实现嵌入式系统的功能对接[4]。
（三）针对嵌入式系统硬件平台测试过程的研究
长久以来，我国相关领域对于嵌入式数控系统硬件平台的研究成果为社会生产实践提供了诸多有利的帮助，令生产实践更加现代化，实现了自动化系统与智能装置的有序运转。从对嵌入式系统硬件平台的测试及研究过程而知，开发一个集嵌入式控制、高效数据采集和网络通信于一体的综合系统平台，能够在一定程度上提升生产效率[5]。另外，通过提供友好的人机操作界面的硬件平台，对于提高智能嵌入式系统可靠性、组网灵活性具有绝佳的现实意义。
四、结束语
通过对数控系统的运作机理进行研究，并结合国内外在实践过程中常用的数控系统硬件结构的设计内容，提出了基于ARM的嵌入式数据控制系统硬件平台的设计方案。该设计能够将ARM、FPGA低功率的特征发挥出来，采用低功率的设备及器件组合，构建了低功耗的硬件系统电路。研究数控系统的整个运作过程，将基于ARM的嵌入式数控系统硬件进行更为周全的细节处理，进而实现了较为先进的接口控制逻辑，提升了系统的整体效率。总之，该系统设计的内容符合当前工业生产所需达到的标准，具备一定的实践价值。
参考文献
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[3]石广治，刘波，姜秀杰，刘成.基于ARM的嵌入式系统以太网通讯设计[J].微计算机信息，2010，12（06）：196-197.
嵌入式设计系统篇(5)
关键词:嵌入式系统;设计原则
目前,嵌入式技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备,如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。
嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物,这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。嵌入式系统一般指非PC系统。它是以应用为中心、软硬件可裁减的、能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性要求的专用计算机系统。简单地说,嵌入式系统是集系统的应用软件与硬件于一体,类似于PC中BIOS的工作方式,具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点,因此特别适合于要求实时和多任务的系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。
1 嵌入式系统的基本知识
嵌入式系统是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式系统的硬件部分包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。这种系统有别于一般的计算机处理系统,它不像硬盘那样有大容量的存储介质,而大多使用E-PROM、EEPROM或闪存煟疲欤幔螅 Memory犠魑存储介质。软件部分包括操作系统软件熞求实时和多任务操作牶陀τ贸绦虮喑獭Sτ贸绦蚩刂谱畔低车脑俗骱托形;而操作系统则控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比,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与通用型的最大不同就是,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、小体积、高集成度等特点,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,因此,器件的移动能力大大增强,同时跟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,这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。
3)因为嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也和具体产品同步进行,所以,嵌入式系统产品一旦进入市场,一般都具有较长的生命周期。
4)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之中,而不是存贮于磁盘等载体中。
嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使在设计完成后,用户也不能对其中的程序进行修改,而是必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
2 嵌入式系统的选型原则
2.1 硬件平台的选择
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,嵌入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后熃酉吕淳褪泣a href=//shiti.7139.com/3035/ target=_blank class=infotextkey>综合考虑系统外紊璞傅男枨笄榭鲆匝褚豢詈鲜实拇砥鳌O旅媪谐隹悸窍低惩馕璞傅囊恍┮蛩?
总线的需求
有没有通用串行接口
是否需要USB总线
有没有以太网接口
系统内部是否需要I2C总线和SPI总线
音频D/A连接的IIS总线
外设接口
系统是否需要A/D或D/A转换器
系统是否需要I/O控制接口。
另外,还要考虑处理器的寻址空间,有没有片上的Flash存储器,处理器是否容易调试和仿真以及调试工具的成本和易用性等相关的信息。在实际过程中,挑选最好的硬件是一项很复杂的工作,充满着各种顾忌和干扰,包括其它工程的影响以及缺乏完整或准确的等。
2.2 嵌入式操作系统的选择
实时嵌入式系统的种类繁多煷筇迳峡煞治两种:商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠,有完善的技术支持和售后服务,但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势,目前主要有Linux和μC/OS,但是不管选用什么样的系统,都要考虑以下几点:
操作系统的硬件支持;
开发工具的支持程度;
能否满足应用需求。
由此可见,选择一款既能满足应用需求,性价比又可达到最佳的实时操作系统,对开发工作的顺利开展意义重大。
3 嵌入式系统的开发
图1是一款MP3随身听的设计框图。它的结构由存储器系统、MP3压缩模块、LCD显示模块、键盘模块、RS232通信接口和USB接口组成,该结构在原有的MP3播放功能上进行了扩展。该方案选用了ARM7微处理器和μC/OS嵌入式操作系统。
对于MP3压缩数据的解压缩播放,只需要使用ARM7TDMI微处理器架构核心的25MHz工作频率就可以流畅地播放,而ARM7TDMI的工作频率最高可达72MHz,建议工作频率为64MHz,完全能满足需要,空出的微处理器资源还可以实现功能扩展。而且市场中已有成熟的开发平台,其中三星公司的SamArmDvk就是一个完善的开发环境,它可使开发变得可靠简单。
嵌入式设计系统篇(6)
一、嵌入式系统综述
嵌入式系统被定义为:以应用计算机为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁减适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和应用的软件产品开发。嵌入式系统包括两部分内容:嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统。
由于嵌入式应用软件的特殊性,往往要求应用程序设计者具有一定的实时操作系统的专门知识,能合理地划分任务,合理地配置系统以及目标联机的调试。
二、嵌入式系统设计的传统方法
通常在单片机系统的开发应用中,是按照瀑布式开发流程进行的。其工作模式简单,任务的划分协调及人员安排、物质材料的分配管理都比较容易。开发过程为从硬件到软件的流水线式进行,如图1 所示。
传统的嵌入式系统设计方法又不同于瀑布式开发过程,它是将开发任务分为硬件软件两个独立的部分,由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。其开发过程为一种并行的工作方式,我们称之为V模式开发过程。
传统的嵌入式系统设计方法如图2所示。
传统的嵌入式系统开发采用的是软件开发与硬件开发分离的方式。虽然也可改进硬件软件性能,但由于这种改进是各自独立进行的,不一定使系统综合性能达到最佳。虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件的接口问题,但由于软、硬件分别开发,各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限制,这些错误不但难于定位,而且更重要的是,对它们的修改往往会涉及整个软件结构或硬件配置的改动。显然,这是灾难性的。
这种设计方法只能改善硬件、软件各自的性能,而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化。20 世纪90 年代初,国外有些学者提出“这种传统的设计方法,只是早期计算机技术落后的产物,它不能求出适合于某个专用系统的最佳计算机应用系统的解”。因为,从理论上来说:每一个应用系统,都存在一个适合于该系统的硬件、软件功能的最佳组合,如何从应用系统需求出发,依据一定的指导原则和分配算法对硬件、软件功能进行分析及合理的划分,从而使系统的整体性能、运行时间。能量损耗、存储能量达到最佳状态,己成为硬件、软件协同设计的一个重要研究内容之一。
三、嵌入式系统协同设计技术
为了避免上述问题,一种新的开发方式应运而生―软件、硬件协同设计方法。一个典型的硬件、软件协同设计过程如图3 所示。
首先,应用独立于任何硬件和软件的功能性规格方法对系统进行描述,然后,在此基础上对硬件、软件进行划分。
这种方法的特点在协同设计、协同测试和协同验证上,充分考虑了软件、硬件的关系,并在设计的每个层次上给以测试验证,使得尽早发现和解决问题,避免灾难性错误的出现。
系统协同设计与传统设计相比有两个显著的区别:
1.描述硬件和软件使用统一的表示形式。
2.硬件/软件划分可以选择多种方案,直到满足要求。
嵌入式设计系统篇(7)
关键词：嵌入式数控系统；体系结构；系统设计；可重构功能；实现方案；测试方法
中图分类号：TP391 文献标识码：A
1.基于ARM的嵌入式数控系统结构模型
1.1 数控系统结构模型
该设计方案利用S3C2440作为主CPU对数控系统中的各项任务进行管理及调度。因为采用专业级别的运动控制芯片有利于减短控制系统的研发时间，改善控制系统的性能，减轻繁重的工作量、降低研发所需要的成本。因此，该设计方案选用日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314As作为控制芯片，对复杂的数控是加工运动进行控制。
该嵌入式数控系统主要由硬件层、操作系统层、运动控制软件层三大部分组成，其中，底层硬件层以三星公司的S3C2440作为CPU处理器；中间层是代码开放的Linux操作系统，属于嵌入式数控系统的操作系统层，为了提高该数控系统的实时性，改善操作性能，其内核按照数控系统的要求做了一定裁剪；至于顶层是包含运动控制芯片的控制库函数等各个控制函数的控制系统所需的匹配软件。
1.2 数控系统的硬件结构
该系统采用的三星公司的S3C2440处理器具有体积偏小、功耗较少、成本偏低、性能较好等优点，该处理器是基于ARM920T内核的32位RISC架构的处理器，其支持支持Thumb（16位）和ARM（32位）双指令集，可以有效兼容8位和16位的器件。该CPU处理器运算速度相当快，主频最高可达533MHz，能够充分适应多任务操作下的数控计算。该嵌入式数控系统采用的运动控制专用芯片MCX314As具有极高的控制性能，能够对四轴进行控制，可以实现对任意两轴的圆弧和直线插补。在运转过程中，主机处理器仅用向该芯片下达各种复杂的指令，MCX314As芯片按照指令完成一系列的操作和处理。在该嵌入式数控系统中，其硬件中包含了主CPU和从CPU，使用的是主从CPU硬件结构模式。其中，主CPU是对各项任务进行管理和调整的ARM处理器，从CPU是控制数控系统运动方式的MCX314As专用运动控制芯片。该系统的硬件平台如图1所示。
1.3 ARM处理器与运动控制芯片的连接
运动控制专用芯片MCX314As的时钟频率为16Hz，由外部直接提供。S3C2440的数据线以及读、写信号直接控制相应的数据线以及读、写信号。因为在该系统中选用16位数据线进行传输，故而必须在运动控制专用芯片MCX314As的H16L8引脚上接入高电平。图2为S3C2440与MCX314As的接口电路图，由图可以看出，为了保障安全，增强信号传输可靠性，实现电平转换，驱动信号，在信号连接两者间加有写着“SN74ALVC164245”的芯片。
1.4 数控系统的软件结构
为了确保该系统的实时性，同时也为了使数控系统的硬件设施得到充分利用，该嵌入式数控系统运用了Linux操作系统。该操作系统按照相关要求做了适当裁剪，能够对数控系统进行实时多任务控制，其时效性相当高。
2.嵌入式数控系统的可重构功能
通常情况下，对于中央处理单元，嵌入式系统多采用精简指令集计算技术。然而，在使用专用芯片以及运用微处理机方法时，人们渴望能够拥有性能良好、运算迅速、可靠性强，并且具备高度柔性和强大编程功能的新技术、新方法，这也就是嵌入式系统的可重构功能。
所谓可重构，即是利用可重构的相关资源对计算平台进行重构或重组，包括了各类硬件、软件的可重构。拥有可重构的有关资源是进行重构的基础，而满足人类不同的应用需求是进行重构的目的。在没有FPGA的时候，通常是对功能部件进行重用，以实现计算系统的重组。而在FPGA出现以后，通常是将基本的门、线资源进行重用，通过有关配置文件，对门的性质进行设定，对线的连接方式进行定义，从而实现了硬件功能的变化。
因为嵌入式数控系统所具备的重构功能和硬件、软件能够裁剪的特征，因此极其有助于实现网络数字控制技术，并且为网络数字系统的设计和应用奠定了基础与捷径。
3.嵌入式数控系统实现方案与测试
3.1 实现方案设计
中央数控单元控制运行ARM，在ARM上对主要数控技术进行运作，但是刀补、插补以及间隙补偿应当除外。注意将ARM与显示以及有关键入装置相连接，以实现人与机的交互。插补代码经编译之后应当通过串口发至DSP，ARM需要执行M、S、T指令，逻辑控制指令需要经过异步串行总线MOD BUS发至PLC，系统的监控由总线负责，与外部网络的连接由ARM负责，进而完成对整个数控系统的网络化开发、运行、管理、调试、诊断以及监控，等等。
3.2 系统测试
在完成MCX314As运动控制板的设计和在Linux操作系统下编写好调试、驱动程序以后需要对该嵌入式数控系统进行一系列的仿真调试。因为MCX314As属于寄存器控制型芯片，其是通过读或写内部寄存器来实现控制的。MCX314As写入的数据来自S3C2440通过总线输入，由此可以读出寄存器的值，再通过比较可以对MCX314As的工作状态进行判别。为了验证该嵌入式数控系统是否正确，需要编写相应的X、Y2轴直线插补程序，最终经过示波器反应实际的脉冲波形图，可以确定该嵌入式数控系统是正确的，能够正常运行。
结论与思考
本文介绍了一种基于ARM的嵌入式数控系统结构模型，研究分析了嵌入式数控系统的实现方案与测试方法。在今后的研究工作中可以借鉴本文思想，从资源共享角度考虑，大力增强数控系统的开放性。
参考文献
[1] BAKHTIARI S， SAFAVI-NAINI R， PIEPRZYK J.， Keyedhash function[J].Lecture Note in ComputerScience， 1996， 1029： 201-204.
