霍永祥
珠海格力电器股份有限公司 广东珠海519000
摘要：现阶段，嵌入式系统有着十分广阔的应用空间，需要科研人员对该项系统多加研究，以此设计出合理的系统框架，使其可以在基础教学、工厂生产中进行有效的应用，更好的发挥出对学生相关技能学习指导、工厂设备运行质量监控等作用。随着计算机技术和信息处理技术的飞速发展，嵌入式软硬件系统在社会各个领域的应用越来越广泛。基于 ARM 的嵌入式软硬件系统是一种比较特殊的计算机系统，具有系统精炼简洁、针对性强、功能强大、程序质量高、系统可靠性强等特点，能极大的提高系统处理效率。
关键词：ARM；嵌入式软硬件系统；设计
随着通信技术、计算机技术的飞速发展、微处理器工艺的改进以及社会的日益信息化，嵌入式系统在通信、工农业以及人们日常生活等各个领域得到了广泛的应用，嵌入式系统成为了当今社会的热门行业。在嵌入式系统中，发挥着关键性作用的是嵌入式微处理器。其中ARM 微处理器，属于精简指令集计算机微处理器。该种微处理器的性能较好、成本极低，因此有着良好的应用系统适应性，在实际的应用中也可以减少工厂的运作成本。嵌入式系统，指的是嵌入式计算机系统，结构包括：软件（系统的应用软件、操作系统）、硬件（系统的设备、处理器）两个部分。这种计算机的系统特点为：较低的能耗，以及较高的集成度，程序开发需要在特定的环境中进行开发，系统无法自行进行程序的开发，所有的系统应用程序均固定（固化）在芯片中。并且该种系统的性能较为稳定，可以长时间进行使用。
一、嵌入式系统
根据 IEEE的定义，嵌入式系统是“用于监视、控制或者帮助机器和设备运行的装置”，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对性能、稳定性、成本、大小、功耗严格要求的专用计算机系统。
1、单片机。这个时期的嵌入式系统主要以功能简单的单片机为核心，来实现一些控制、采集或是监控的功能。这一代的嵌入式系统并没有嵌入式操作系统的支持，开发者只能通过简单的汇编来编程实现对嵌入式系统的控制，系统功能较为单一。
2、嵌入式 CPU 和嵌入式操作系统。这个时期已经出现了一些功能强大、价格低廉的嵌入式微处理器和多种嵌入式操作系统。这个阶段的嵌入式系统功能较之第一阶段有了很大的增强，可以支持多种设备，同时因为有了嵌入式系统的支持，嵌入式系统的开发及应用更加方便。这时的嵌入式系统已经广泛应用于国防、工农业、交通等多种场合。
3、SOC 和网络片上系统（SOC）是当今微处理器的发展趋势，它将包括 CPU 及多种外设控制器的专用系统集成在一个芯片上。基于 SOC 的嵌入式系统在功能更为强大的基础上，成本和功耗越来越低同时面积也越来越小，可以更多的应用于人们的日常生活中。同时随着网络的发展，嵌入式系统已经支持网络功能，更加方便的嵌入式系统的开发与应用。随着嵌入式系统的蓬勃发展，人们对嵌入式系统的要求也越来越高。
二、基于ARM的嵌入式软硬件系统的设计策略
嵌入式系统主要用于监视、控制或者帮助机器和设备的运行，嵌入式系统是软硬件结合的系统，对于嵌入式系统的一般定义是以应用为中心，计算机技术为基础，以达到对应用系统的性能、成本、大小的需求。
1、硬件系统的设计
（1）嵌入式微处理器的选择。
ARM 芯片主要有三种型号，对于 ARM核的选择的决定性因素就是在于是否自带MMU 功能，部分 ARM 核只有在带有 MMU功能的前提下才可以运行，所以在选择时应该特别注意这一功能，对于不需要 MMU 功能支持的系统可以考虑优先选择。其次，应该对ARM 系统的时钟频率进行观察，系统时钟频率是决定 ARM 芯片的处理速度的直接因素，对于频率较高的 ARM 芯片来说，以 ARM9 为代表，其频率可以达到 400MHz，在进行选择时应该根据整个系统的运行情况来决定。还应该考虑的是 ARM 芯片内置的外部接口控制器的数量，对于 ARM 芯片应该选择可以扩展出RS232 串行接口、以太网接口等，最好集成有DMA 控制器，以保证和外界进行大量的高速数据传输。
（2）硬件整体方案。一般来说以 ARM 系统为核心的软硬件设计应该是一个支持多平台的嵌入式平台，所以在进行硬件系统的整体设计时，为了方便多种ARMCPU 的切换，应该在芯片上设计一些小的子板，对于外设电路的设计而言，子母板之间应该通过金手指接口来连接，这样的设计方法主要具有占用面积小的优点，可以极大地减少制作成本。
（3）存储器的设计。主要进行的是对主存储器和辅助存储器的大小和型号的选择，对于主存储器的选择主要重在对处理速度和价格的考虑，对于占用内存较大的系统来说，可以优先考虑 SDRAM。对于辅助存储器来说，主要是用来存放大数据量的程序代码，所以，辅助存储器的大小很重要，其中，NANDFLASH 内存大、成本低，是选择的首要对象。
2、软件系统的设计
（1）软件平台的架构。对于主流的 ARM 系统来说主要包括：BootLoader、系统软件、图形用户界面以及上层应用软件四个层次，在进行基本结构的架构时，应该对其进行整体性考虑，从不同层次的系统上进行最优选择，以达到整体效果的最优化。
（2）嵌入式操作系统的选择。嵌入式操作系统主要包括：VxWorks、Linux 和 WinCE，在进行选择时，应该对三种操作系统的优缺点进行深入研究，了解其基本特点，在进行选择时可以有针对性的进行设计，软件系统的操作设计中，Linux 是发展最快、应用最广的，其主要性能较高，成为其首选的重要因素。WinCE 是从整体上对于有限资源进行多线程、完整优先权、多任务的操作，开发方便、快速，但是也存在着价格过高的缺点。对于 VxWorks 来说，其具有非常优秀的实时功能，其价格也是很高的，所以开发应用不够广泛。
（3）嵌入式 GUI的选择。GUI系统主要包括：高度裁剪的 X Windows 系统、MiniGUI、OpenGUI、QT/Embedded 等，对于每一种 GUI 都有其自身的特征，在进行选择是需要慎重考虑。对于第一种系统来说，其在运行过程中占用的系统资源较多，加之对中文显示和中文输入等本地代码的使用，使得其运行的消耗更加巨大，所以主要应用于机顶盒等地方。对于第二种系统来说，主要用于提供一个轻量级的图形用户界面支持系统，但是其缺少方便的集成开发环境。所以，在进行 ARM 为基础的软硬件系统设计时应该结合多种条件进行综合考虑。
结语
目前，我国的工业生产中离不开嵌入式系统的应用，同时社会中的许多行业对于掌握了丰富嵌入式系统相关知识的技能型人才有着极大的需求量，因此要设计出一款适应性较强，可靠性高、占地面积小、性能质量好的ARM嵌入式系统，为工业生产和学校的有效教学，提供助益。
参考文献：
[1] 李登科 . 基于 ARM 的嵌入式系统硬件设计探究[J]. 中国电子商务，2019（3）：29.
[2] 胡振国 . 基于 ARM 的嵌入式软硬件系统设计与实现 [D]. 电子科技大学，2019.
[3] 孙毅 . 基于 ARM 的手持终端 PDA 软硬件系统设计 [D]. 杭州电子科技大学，2019.