一種基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方案詳細講解

1 背景介紹

在日益信息化的社會中，各種各樣的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)全面滲透到日常生活的每一個角落。嵌入式系統(tǒng)的功能越來越復(fù)雜，這就使得一個嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品從市場需求立項到方案選擇、樣機研制、定型量產(chǎn)所需要的開發(fā)費用越來越多，所需開發(fā)時間越來越長。因此，高效的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法就顯得尤為重要。

1.1 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵就是對核心部分進行功能驗證。傳統(tǒng)的驗證方法是建模模擬和制作目標板評估。

通過建模來進行功能驗證存在不足。首先就是耗時和準確性互相矛盾。建立高層次的模型需要的時間短，但是模擬不夠準確。相反，低層次的模型可以達到滿意的評估效果，但是建模耗時長。其次，建模模擬是靜態(tài)的過程，不能很好地反映系統(tǒng)實際運行的情況。好的目標板，各部分連接已經(jīng)固定。如果需要改動部分連接，只能重新設(shè)計制版。這樣一來就會大大延長產(chǎn)品的上市時間，還會增加開發(fā)費用。新推出的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，開始設(shè)計時比較難把所有的技術(shù)細節(jié)考慮清楚，有時甚至是邊設(shè)計邊修改性能指標，因此直接制作專用的目標板原型已經(jīng)不太適合復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計。

1.2 嵌入式系統(tǒng)模塊化設(shè)計方法

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計要求做到可測性、高效性和靈活性。目前，嵌入式系統(tǒng)物理尺寸越來越小，功能越來越復(fù)雜。為了方便調(diào)試、維護系統(tǒng)，完全可測顯得極為重要。另一方面，模塊化的設(shè)計方法越來越引起人們的關(guān)注。模塊化設(shè)計方法將復(fù)雜的系統(tǒng)合理地劃分出不同的功能模塊，然后充分利用已有的模塊，設(shè)計新的模塊，最后將這些模塊連接起來組成目標系統(tǒng)。模塊化的設(shè)計方法減少全新的設(shè)計、降低開發(fā)難度、節(jié)省開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間，是一種高效的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法。另外，各個模塊連接的靈活性是非常重要的，它直接決定模塊的組合能力。

2 基于ARM核的快速原型化平臺

嵌入式系統(tǒng)硬件有如下特點：

1、嵌入式硬件以嵌入式處理器為核心。嵌入式處理器的種類眾多，功能各異。

2、相對嵌入式處理器，嵌入式系統(tǒng)外設(shè)的種類較少，接口標準也比較統(tǒng)一。

3、隨著EDA的發(fā)展，SOC（system on Chip）的應(yīng)用越來越廣泛。

2.1 ARM核處理器的特點

ARM核處理器因為其低成本、低功耗、高性能的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。基于ARM核處理器是高度集成的SOC，包括ARM核和各種各樣的外設(shè)。圖1是基于ARM核處理器的常見結(jié)構(gòu)。存儲器控制接口為外接存儲器提供了總線接口。該總線接口支持不同種類的存儲器芯片以及不同的存儲操作。此外，還可以用該總線來擴展外設(shè)。片內(nèi)外設(shè)包括中斷控制器.html“ target=”_blank“》控制器、OS定時器、UART、I2C、PWM和AC97等等。在這些片內(nèi)外設(shè)中，有些信號是復(fù)用的，這樣做的好處是方便用戶使用。用戶如需要片內(nèi)外設(shè)，只需要配置相關(guān)的寄存把片內(nèi)外設(shè)連接到通用I/O即可，非常靈活，例如USB接口的服務(wù)器/客戶端。有些片內(nèi)外設(shè)有專用的信號。用戶通過連接或者擴展這些通用I/O和專用I/O來使用片內(nèi)外設(shè)。當片內(nèi)外設(shè)不能完成目標系統(tǒng)的功能時，需要通過總線來擴展特殊的外設(shè)芯片。

圖1（ARM核處理器框圖）

圖2 （ARM核處理器的嵌入式系統(tǒng)的框圖）

2.2 基于ARM的快速原型化平臺的實現(xiàn)

圖2是基于ARM核處理器的嵌入式系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)分成兩個部分，一部分是最小系統(tǒng)，由嵌入式ARM核處理器和存儲器組成;另外一部分包括從嵌入式處理器片內(nèi)外設(shè)接口直接擴展的外設(shè)和通過總線擴展的外設(shè)。為了充分利用模塊化設(shè)計方法，這些部分應(yīng)該能夠通過靈活的互連組成一個平臺。靈活的互連功能由互連模塊完成。

可編程器件如CPLD和FPGA，可以在系統(tǒng)編程，修改連接只需要修改相應(yīng)的控制程序即可，非常方便靈活。CPLD成本低，運行速度快，但是集成度比較低。FPGA集成度高，可以實現(xiàn)CPLD很難實現(xiàn)的復(fù)雜的邏輯功能，例如內(nèi)嵌邏輯分析儀程序，獲取必要的信號，完成系統(tǒng)在線測試。FPGA另外一個優(yōu)勢就是可以動態(tài)配置，例如系統(tǒng)上電時配置自檢程序，自檢通過后再配置實際工作的程序。最后，在FPGA里面嵌入CPU軟核，進行SOC的開發(fā)。所以可編程互連模塊選用FPGA來組成。

為了確定可編程互連模塊的插入位置，再來分析圖2嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

最小系統(tǒng)決定了整個系統(tǒng)的處理能力，是整個系統(tǒng)的核心。常用的嵌入式處理器的時鐘周期已經(jīng)高達400MHz，并且會進一步發(fā)展。連接處理器的總線速度和存儲器芯片的速度也超過了100MHz。FPGA引腳到引腳的延時是幾個納秒的數(shù)量級，所以FPGA模塊的插入會降低整個系統(tǒng)的處理速度。故在處理器和存儲器之間不能插入FPGA模塊。外設(shè)可以使得嵌入式系統(tǒng)和實際應(yīng)用環(huán)境進行通信和交互操作。通常外設(shè)已經(jīng)高度模塊化并且相互獨立，在外設(shè)之間幾乎不會有柔性連接的要求，而且處理器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信速度比最小系統(tǒng)的運行速度要慢很多。因此，用互連模塊取代最小系統(tǒng)和外設(shè)之間的直接物理連接是切實可行的。

按照這種思路，設(shè)計出了如圖3所示的快速原型化平臺。

圖3（快速原型化平臺）

圖3中，可編程互連模塊是快速原型化平臺的核心部分。常用的外設(shè)部分包括：網(wǎng)卡，USB接口，LVDS接口，RS-232接口，RS-485接口，音頻AC`97接口，PCMCIA/CF卡接口。這些常用外設(shè)就是前文提到的可重復(fù)利用的模塊。由于嵌入式處理器的總線、通用I/O、專用I/O和各種外設(shè)都連接在可編程互連模塊上，因此不同的嵌入式處理器只需要設(shè)計最小系統(tǒng)即可，然后將該最小系統(tǒng)接入快速原型化平臺，利用這個平臺提供的外設(shè)進行系統(tǒng)調(diào)試。

以上設(shè)計的快速原型化平臺，不僅考慮了當前嵌入式硬件系統(tǒng)的發(fā)展特點即嵌入式處理器種類多，外設(shè)種類相對較少，接口標準趨于統(tǒng)一，同時又充分體現(xiàn)了可測性、靈活性、模塊化的設(shè)計思想。

3 隨機方向信號的可配置互連

常見的信號傳輸方向不管是單向的還是雙向的，都可以預(yù)先確定。例如，數(shù)據(jù)總線是雙向的，讀或者寫是完全確定的，可以通過讀寫信號來控制數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆较?。但是有一類特殊的總線，例如I2C，它是多主/從的通信總線。如圖4所示，如果設(shè)備1發(fā)起通信，則SCL上的信號傳輸方向是從設(shè)備1到設(shè)備2，如果是設(shè)備2作主設(shè)備發(fā)起通信，則SCL的上的信號傳輸方向剛好相反。系統(tǒng)設(shè)計中要求總線上可以雙向傳輸信號。FPGA內(nèi)部由一系列的邏輯門組成，如果I2C 信號通過FPGA來連接的話，就不能正常工作。這是因為，雙向傳輸可以等效視為由兩個反并聯(lián)的門來實現(xiàn)（如圖5，用方向控制信號來確定實際的傳輸方向）。但是，I2C信號，沒有明確的方向控制信號，也就無法正確地通過圖5 所示結(jié)構(gòu)的電路。

圖4（I2C總線）

圖5（雙向信號傳輸）

如果直接布線或者跳線來連接I2C信號，就可以保證I2C正常工作，但是，這就和快速原型化平臺可配置互連的靈活性相違背，所以提出以下方案。 I2C信號不經(jīng)過FPGA來配置連接，而是通過基于MOSFET的數(shù)據(jù)開關(guān)。目前，市場上常用的點到點任意方向的MOSFET開關(guān)并不能直接使用。因為常見的結(jié)構(gòu)是一路到多路或者多路到一路。利用CPLD來控制選通，多路并聯(lián)就可以組成8X8的點到點的隨機方向的可配置連接。是一路到八路的數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。