嵌入式软件与硬件协同设计在工业

嵌入式软件与硬件协同设计在工业

李二陶

340121198111036412

摘要：网络信息化时代，电子信息技术和数控系统深入应用到了我国的工业生产实践中，极大的提升了工业生产效率，并取得了巨大的成就，精密仪器加工以及数控系统的操作标准也有了巨大的提升。当前阶段我国的计算机通信领域和专用设备、航空航天以及工业控制领域都在嵌入式开发方面取得了长足的进步和发展，并积累了大量的技术经验。在此情形下基于ARM的嵌入式系统硬件设计就显得势在必行了，本文主要就ARM的嵌入式系统硬件设计内容进行分析并展示相应的研究成果。

关键词：ARM；嵌入式系统；硬件设计；具体成果

引言：

硬件系统平台、应用软件以及ARM操作系统共同构成了嵌入式系统，在ARM视域下的嵌入式系统有着计算机的运行特点，可以独立工作，也可以将嵌入式系统的硬件和软件整合为一体，发挥出高效运行的效果。但区别于传统的计算机系统，基于ARM的嵌入式系统信息存储和容量缺少足够的限制，信息的处理和功能的调整也是嵌入式系统的主要发展方向，嵌入式系统的硬件主要包括处理器、外围接口和测试平台等几部分，在具体的设计当中需要充分考虑到嵌入式系统的运行特点和需求。

1.嵌入式系统的原理和整体架构

一般而言，嵌入式系统是由设备的硬件系统平台、应用软件以及ARM操作系统共同构成的，在ARM视域下的嵌入式系统有着计算机运行的特点，它既可以独立运行，也可以实现嵌入式系统的软件和硬件高度整合，它的硬件部分与普通计算机大体相同，具有处理器和存储器等输入设备和输出设备。近年来随着我国制造业的改革进程不断推进，数控机床设备的性能不断提升，合理的运用数控系统提高各项设备的运行效率就成为了工业发展的主要问题，自动化数控系统和相关设备的革新与优化，需要应用嵌入式设备，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[1]。

2.基于ARM的嵌入式系统硬件设计

嵌入式系统的硬件是支撑嵌入式的软件和程序运行的关键，是支撑整个系统的支架，也是系统能够运行的基础，因此，基于 ARM 设计嵌入式系统硬件是非常关键的，要从以下几个重点进行把控。

2.1 处理器设置

基于 ARM 的嵌入式系统的硬件有其独特优点，其处理器不但体积相对较小且消耗的能源少，与此同时还具备优越的性能以及保护系统，正因为如此，基于 ARM 的嵌入式处理器的应用非常普遍。处理器是计算机硬件系统内非常重要的部分，其为系统的核心组成，在处理器设计的过程中要十分重视性能、质量和保护，尽量摒弃繁杂的内容，逐步提高处理器的运行效率，以达到系统高效运用的目的。

2.2 外围接口设置

嵌入式硬件系统应选用合适的配件，不同的硬件间的连接以及组合要尽量优化，以便使各配件间的配合达到最好的效果，大幅度提高运行的质量以及效率。在设计外围接口时要特别注意巧妙及灵活，力求最小化，并且与嵌入式的特点相符。利用设计精简的外围接口，能够更好地确保硬件系统运作时的稳定及持续。对嵌入式系统而言，最优化的外围接口应可以很好地把处理器和接口连到一起，实现无缝连接。其外围的电路要力求精简，这样不但可以有效节约成本，还可以在一定程度上减小硬件系统的体积[2]。

2.3 针对性设计

ARM 嵌入式硬件系统，应依据实际的需要去设计，不同用户以及项目的设计要求不尽相同。设计的基础目标是嵌入式系统，其余各设计内容均围绕该基础目标展开。嵌入式硬件系统不但要有硬件，还要有配套的软件。设计的初始阶段一定要划分软件及硬件的功能，依据软、硬件的功能去固定区域，使用部分带动整体的方式，在划分硬、软件系统功能区的同时，达到嵌入式系统的优化效果。软、硬件的功能区划分应在嵌入式系统中互相结合以实现协作，进而实现最佳效益的嵌入式系统组合，使得系统的整体功能、价值与效益发挥到最大化。

3.基于ARM的嵌入式系统硬件设计细节内容

3.1 ARM 及嵌入式计算机通信系统

ARM 译为微处理器，ARM 的体系结构从一开始就不断发生着变化，到目前为止，变化较明显，而且还在不断的更新中。最近一段时间以来，嵌入式系统的设计内容深受 ARM变革的制约。在一些方面已暴露了出资源有限的弊端，比如传统的八位单片机，越发不适应越来越复杂的实际应用的需求，所以，在三十二位处理器的价格持续下降的情况下，最合理的选择就是，为嵌入式系统采取性能更高的三十二位处理器作为其核心。

3.2 ARM 接口设计

嵌入式系统的功能接应主要靠各个接口的有效设计来实现，ARM 接口设计主要包括了太网接口、显示器接口以及USB 接口等。

3.3 研究嵌入式系统硬件平台的测试过程

很长时间以来，嵌入式的计算机通信系统硬件平台的研究成果对我国的生产实践带来了很多益处，系统实现自动化和智能化，为工业控制等带来了很多便捷，这样一个综合性的平台，包括嵌入式的控制以及高效的数据通信，自动化以及智能化使得工作效率逐步提高，加之人性化的人机操作的硬件平台，对提高嵌入式系统可靠性、智能性以及灵活性起到了关键性作用[3]。

3.4 ARM 嵌入式系统的调试方法

（1）指令集模拟器

指令集模拟器主要是由大部分集成开发环境提供，其作用是在一定程度上方便了用户，但是因为环境差距太大，使用指令集模拟器有可能无法在真正的环境下进行，必须选择硬件平台来完成整个系统的应用和开发。

（2）驻留监控软件

所谓的驻留监控软件实际是一个在目标板上运行的程序，集成开发下的调试软件利用太网口、并行端口等通讯端口和驻留监控软件交互，由调试软件下发指令以让驻留监控软件进行控制程序、读写存储器以及寄存器、设置断点等操作。驻留监控软件是相对廉价但有效的软件，它不需用其他硬件以及仿真设备。ARM 的 Angel 即为该种软件，多数的嵌入式系统都使用这种软件调试。这类软件对硬件的要求非常高，通常是在硬件稳定以后方可开发应用软件，并且它会占用目标板上的一些资源，还不可以针对程序的全速运行仿真，故而它不适用于部分要求严格的情况。

（3）JTAG 仿真器

JTAG 仿真器成本较低，而且连接非常便捷，不需要目标存储器，不需要任何目标系统的端口，是一种不用片上任何资源的调试方法，主要是利用 ARM 芯片上的 JTAG 边处的扫描口进行不断调试的一种设备，而且是驻留的监控软件所必须的。但是，JTAG 调试一般都是在目标板上进行，所以，比较接近目标的硬件。所以，接口的问题被弱化了，目前采用最多的一种方式就是集成开发的环境与 JTAG 的仿真器共同开发。

4.结束语

给予ARM的嵌入式系统硬件设计，可以有效的发挥出ARM软件的优势，合理的运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。这无疑符合我国工业未来的发展方向，也是制造业的必然发展趋势。

参考文献：

[1] 张白喆,刘洋.基于ARM的嵌入式系统硬件设计的研究[J].信息与电脑(理论版).2019.(17):32-33.

[2] 李文斌.基于ARM的嵌入式系统硬件设计研究[J].企业导报.2019.(07):87-88.

[3] 王东旭.基于ARM的嵌入式系统硬件设计研究[J].电子世界.2019.(18):19-20.