嵌入式系统的选用方法初探

时间:2022-04-12 02:23:02

嵌入式系统的选用方法初探

摘要:嵌入式系统在各行各业都得到了广泛的应用,但在应用中应选择合适的嵌入式系统,使其既能满足系统性能的要求,又能降低成本,这是产品开发成功的一个重要因素。文中介绍了当前部分主流嵌入式系统的性能,并对其应用场合和选用要点进行了初步分析探讨,以期对从事嵌入式系统应用开发的工程设计人员有所帮助。

1引言

随着嵌入式计算机技术的飞速发展,嵌入式系统以其小巧、轻便、便于随身携带的特点而得到了越来越多的用户青睐,它们广泛应用于军事装备、工业生产、电子信息、家用电器等生产生活的各个领域。应用嵌入式系统不仅能提高产品系统性能,同时还可以获得更好的经济效益。

相对通用计算机和工业控制计算机而言,嵌入式系统只保留和使用需求紧密相关的功能部件,裁减不需要的部分,以最低的功耗和最少的资源实现产品的性能,具有体积小、单片化、重量轻、成本低、功能强和可靠性高等优点。嵌入式系统由嵌入式硬件系统、嵌入式操作系统及用户开发的应用程序等组成,是集软硬件于一体的可独立工作的实体。本文结合笔者多年对嵌入式系统的实际应用经验,对目前主流嵌入式系统性能、应用场合和选用要点进行介绍和探讨。

2嵌入式硬件系统

众所周知,嵌入式系统有很多种系列品种,并且还在不断推陈出新,从早期典型代表单片机到现在的霸主英特尔微处理器,它们在不同的场合能满足各种应用需求。下面分别介绍新兴的、发展迅速的几种嵌入式硬件系统。

2.1 ARM

ARM(Advanced RISC Machines)是嵌入式微处理器行业的一家著名企业,仅研发高效的IP内核。ARM公司设计了廉价、低耗能的RISC处理器以及相关软件,并将其技术授权给世界上许多著名的半导体厂商(如Intel)、软件厂商(如微软)和其他著名OEM厂商。与此同时ARM也获得了相应的第三方工具软件的支持,从而降低了产品的成本,使其容易被消费者所接受,在市场上更具竞争力。此外ARM公司还进行了EDA合作推广,开展技术培训,并为OEM制造商提供先进的ARM处理器技术的解决方案。上世纪90年代在低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域,ARM就取得了的领先地位。而今ARM嵌入式内核已被全球各大芯片厂商采用,其应用技术席卷了全球嵌入式技术市场。ARM已成为全球性嵌入式RISC标准的缔造者,基于ARM的应用技术也已成为嵌入式系统主流技术之一。

ARM公司面向低预算市场提供了一系列RISC微处理器芯片,目前市场上有ARM7、ARM9、ARM9E-S、StrongARM和ARM10等系列品种,它们具有小型、低价、快速、低能耗等特点;集成了RISC内核、高速缓存(Cache)、内存管理、存储控制、I/O控制、异步通信、DMA通道、视频控制器、调色板以及立体声端口、DSP指令集、JTAG等相关功能。由于RISC微处理器不断拓展的技术性能和成功的市场价格定位,使基于ARM技术的微处理器在32位RISC微处理器市场拥有众多用户。在工业控制领域,ARM技术的微处理器占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时向低端微控制器领域扩展;在无线通讯领域,众多的无线通讯设备应用了ARM技术;在消费类电子产品领域,ARM技术得到了广泛采用,如数字音频播放器、机顶盒、数码相机等,此外高档打印机和手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。

鉴于ARM微处理器的众多优点,特别是其良好的性价比以及国内外对嵌入式应用需求的不断增长,ARM微处理器已获得高度重视和广泛应用。ARM微处理器有不同系列、多种内核结构、多生产厂家和不同功能配置,开发人员在选择应用方案时需考虑以下几方面因素:(1)不同ARM微处理器包含不同的内核结构,适应不同的应用领域。(2)系统的工作频率决定了ARM微处理器的处理能力,随着ARM系列微处理器处理速度的不断提升,现在ARM10最高处理速度可以达到700MHz。(3)微处理器芯片内存储器的容量不太大,用户在设计系统时要根据需求使用外部扩展存储器。ARM微处理器芯片还根据不同的应用领域扩展了相关功能模块,将其集成在芯片之中,如USB接口、LCD控制器、键盘接口、ADC和DAC、DSP协处理器等功能模块,设计时应根据系统的需求,尽可能采用片内电路实现所需的功能,简化系统设计,降低成本,提高系统的可靠性。

2.2 NIOS

针对单片机处理器性能的不断扩展及其价格优势,为了开拓市场,满足用户需求,Altera公司适时推出了Nios系列嵌入式处理器,它是基于通用FPGA架构的软CPU内核,可以运用FPGA进行嵌入式设计,而不必再购买其他嵌入式芯片处理器。

Nios处理器主要性能特点是:(1)处理器内核:支持多级流水线、动态分支预测、指令和数据缓冲;完全的32位指令集、数据总线和地址空间;算术逻辑单元、中断控制器、数据和指令Cache、JTAG调试。(2)多处理器系统:可使用多个内核系统,或者将软件划分成多个简单任务。(3)宽带总线结构:自动生成Avalon®互联架构,支持大吞吐量系统,实现多个主机/从机互联和片内数据缓冲。(4)相关IP核接口支持,如PCI、PCI-E、USB、RapidIO、HDLC、POS-PHY等接口。

基于FPGA的嵌入式系统的最大优点在于其不断拓展的IP性能,在FPGA内可定制处理器、灵活配置相关的外设和接口,将系统设计需要的功能模块集成到一块可编程器件上,构成一个可编程的片上系统SOPC(System On Programmable Chip),使产品装置更紧凑,性价比更高,技术性能更可靠。由于FPGA可多次设计更改,易于修正错误、提高性能、降低风险,因而基于FPGA的嵌入式系统是一种灵活、高效的嵌入式系统设计解决方案,它是PLD和ASIC技术融合的结果,代表了半导体产业未来发展的一个方向,并在运用FPGA开发的工业控制领域和小批量研发领域得到了广泛的应用。

2.3 PowerPC

PowerPC是由国际商业机器、苹果、摩托罗拉三家公司联合研制的高性能CPU微处理器,PowerPC处理器体系结构是RISC(精简指令集计算机),其速度快、能耗低,代表了计算机技术的发展趋势。IBM主要的PowerPC产品有PowerPC604s,PowerPC750,PowerPCG3 ;Motorola主要有MC和MPC系列,如MPC860。他们的产品不一样,但全部采用PowerPC的内核,其产品大部分用在嵌入式系统中。

PowerPC处理器应用范围很广泛,使用PowerPC的产品很多,包括高端服务器、大规模并行处理工作站、微型机、笔记本电脑。PowerPC处理器有非常强的嵌入式表现,能在较小的芯片上实现优异的功能。

Xilinx公司也推出了基于FPGA的PowerPC405和440嵌入式处理器,可在FPGA运用中进行嵌入式处理器设计,其性能处于中等PowerPC处理器水平。因此,对于运用Xilinx公司可编程FPGA的设计师而言,在搭建嵌入式系统时又多了一种良好的选择。

3嵌入式操作系统

在嵌入式系统设计选用时,首先要选择好满足应用需求且性价比高的嵌入式硬件系统,再选择恰当的嵌入式操作系统,由其实现嵌入式系统的软、硬件资源的分配、调度和控制协调。一般来说,应用面广、性能突出、市场占有率高、著名品牌的大公司会提供一揽子嵌入式系统设计应用解决方案,提供操作系统、开发环境、开发工具和开发模板支持,使设计师能尽快熟悉掌握嵌入式系统的应用开发。不同操作系统所提供的库函数、驱动程序、工具集和应用程序等在可应用性方面是有差别的,当所选的嵌入式硬件系统支持多个操作系统时,需进行适当选择。下面对几个常用嵌入式操作系统的性能和应用场合进行介绍。

3.1 VxWorks

VxWorks是目前嵌入式系统领域中一种实时性高、使用广泛、市场占有率高的操作系统。它支持多种处理器,如x86、PowerPC等;支持各种工业标准,包括POSIX、ANSI C和TCP/IP网络协议;VxWorks系统的可裁减微内核支持各种实时功能,包括快速高效多任务处理、微秒级中断响应和实时调度。大多数的VxWorks应用程序接口API是专有的,需购买授权才可开发使用;有的API需投入较大精力自行开发;VxWorks价格不菲,软件开发和维护成本高。目前VxWorks由于其良好的可靠性和卓越的实时性而主要应用于高精尖国防军事领域和强实时性工业控制场合。

3.2 嵌入式Linux

嵌入式Linux操作系统的特点是源代码公开,可以根据用户系统的应用需要进行修改;遵循GPL协议,不需要交纳许可证费用,软件的开发和维护成本很低;支持多种微处理器体系架构,有许多免费的开发工具、应用软件、驱动程序源代码供开发使用,有庞大的开发群体提供技术支持,纠错容易,便于二次开发;内核精悍,性能稳定,运行所需资源少,支持的硬件数量大。嵌入式Linux与硬件芯片结合紧密,需要进行平台移植、内核裁剪、驱动程序(BSP)的开发。由于Linux开发方便,因此在多方面得到重视和应用。

3.3 WinCE

WinCE与Windows系列有较好的兼容性,用户界面方便最终用户使用,它能在多种处理器体系结构上运行,具有非强行的电源管理功能,能够访问互联网,具有多线程、完整优先权、支持多任务的操作系统。因WinCE嵌入式操作系统没有开放源代码,应用开发很难实现定制,版权许可费高,效率不够高,占用系统内存多,运用程序庞大、功耗相对也偏大。目前WinCE在工业控制领域有一定的应用。

4结束语

嵌入式系统的应用将越来越广泛,选择适合的嵌入式系统,对于产品开发尤为重要。产品开发时应首先分析应用系统的性能需求,选用适合的、性价比高的嵌入式硬件系统;再根据产品需求,结合实际应用情况,选择合适的嵌入式操作系统;这样可使系统开发工作更顺利,便于设计出性能优良的嵌入式应用系统。

参考文献

[1]李忠民,杨刚. ARM嵌入式VxWorks实践教程,北京航空航天大学出版社,2006

[2]周立功. ARM嵌入式系统教程,北京航空航天大学出版社,2006

[3]王彩云. 嵌入式NIOS微处理器在FPGA中的开发应用,电子设计应用,2003

[4]孔详营,柏桂枝. 嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado,中国电力出版社,2001

[5]倪继利. Linux内核分析及编程,北京电子工业出版社,2005

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