嵌入式設計系統大全11篇

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中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）12-0104-01

1、序言

本系統是設計一款基于ARM的嵌入式開發平臺，該嵌入式開發平臺是基于AT91SAM9263（基于ARM926EJ-S芯核）的嵌入式系統，可以在此系統上運行嵌入式操作系統，并在上運行嵌入式數據庫、人機窗口等應用程序，此系統包括硬件和軟件兩部分，本文主要介紹硬件部分。

2、系統硬件設計

本系統硬件由核心板和母板組成，核心板將系統擴展可能用到的總線都引出來，與母板之間通過針形接插件連接，為以后產品開發提供了穩定、經濟而又方便的平臺，此種設計的好處，其一把高速和低速分開，降低了硬件之間的干擾，提高了穩定性。其二是當系統需要擴展某些特殊接口時，則只需要對母板進行修改，縮短了開發周期。

其中核心板設計這部分是任何一個ARM系統要正常運行所必備的電路，因此稱為核心板，這些基礎電路，包括存貯程序用的Flash存貯器，運行程序和緩沖數據所必須的SDRAM、復位模塊、時鐘模塊、JTAG接口等。這部分電路集中在較小空間里，因此相對比較密集，而且這部分的信號是超高速信號，且電路的設計要求比較高，所以核心板采用購買成熟的核心板。

系統母板設計了大部分的電路，因為模板上的信號都是低速信號，所以從成本角度考慮，母板采用二層電路板設計，其主要電路包括了電源部分、USB接口部分、串口及10/100M以太網接口、LCD接口、CAN總線以及底板與核心板之間通過針形接插件相連的接口等，其結構如圖1所示。

下面將分模塊介紹電路原理。

2.1 串行接口電路設計

系統設計了一個RS-232、RS-485接口，方便與其他設備通信。具體的電路采用MAX3232作為電平轉換芯片，它本身提供兩組驅動器和接收器，并接有數字隔離器ADuM1201，此芯片提供了兩個信道的通道，具體電路如圖2。

系統的RS-485串行接口，是由ADM2483來實現，ADM2483本身是帶有隔離的高速RS-485轉換器，不需要其它額外的電路。

2.2 以太網接口設計

系統選用DM9161作為以太網的接口芯片，因為系統工作在100BASE-TX模式下，所以選擇RMII作為DM9161與AT91SAM9263的接口模式，具體電路如圖3所示。

2.3 CAN接口電路設計

本系統的CAN總線接口的實現，是通過外接CAN收發器來實現的，系統選用的是MCP2551作為系統的收發器，其特點是有差分發射和接收能力，自動檢測TXD輸入端接地錯誤及較強的抗噪聲特性。

3、結語

本系統設計了基于ARM系統的嵌入式硬件平臺，在此之上可以提供各種實時操作系統，從而構成一個完整的平臺，其硬件部分電路已經進行了信號完整性分析具有一定的可靠性。

參考文獻

篇（2）

中圖分類號:TP274;TP3680

引 言

經過近幾年的快速發展,嵌入式系統(Embedded System)已經成為電子信息產業中最具增長力的一個分支。隨著手機、PDA,GPS、機頂盒等新興產品的大量應用,嵌入式系統的市場正在以每年30%的速度遞增(IDC預測),嵌入式系統的設計也成為軟硬件工程師越來越關心的話題。

在嵌入式系統設計中,低功耗設計(Low Power Design)是許多設計人員必須面對的問題。其原因在于嵌入式系統被廣泛應用于便攜式和移動性較強的產品中,而這些產品不是一直都有充足的電源供應,往往是靠電池來供電的;而且大多數嵌入式設備都有體積和質量的約束。另外,系統部件產生的熱量和功耗成比例,為解決散熱問題而采取的冷卻措施進一步增加了系統的功耗。為了得到最好的結果,降低系統的功耗具有下面的優點:

(1) 電池驅動的需要。在強調綠色環保時期,許多電子產品都采用電池供電。對于電池供電系統,延長電池壽命,降低用戶更換電池的周期,提高系統性能與降低系統開銷,甚至能起到保護環境的作用。

(2) 安全的需要。在現場總線領域,本安問題是┮桓霆重要話題。例如FF的本安設備,理論上每個網段可以容納32個設備,而實際應用中考慮到目前的功耗水平,每個網段安裝10個比較合適。因此降低系統功耗是實現本安要求的一個重要途徑。

[JP2](3) 解決電磁干擾。系統功耗越低,電磁輻射能量越小,對其他設備造成的干擾也越小。如果所有的電子產品都能設計成低功耗,那么電磁兼容性設計會變得容易。[JP]

(4) 節能的需要。特別是對電池供電系統,功耗與電壓的平方成正比即:P=V2fC+P┆static,б虼私諛芨為重要。

1 功耗產生的原因

[BT3]1.1 集成電路的功耗

目前的集成電路工藝主要有TTL和CMOS兩大類,無論哪種工藝,只要電路中有電流通過,就會產生功耗。通常,集成電路的功耗主要有4個:

(1) 開關功耗。對電路中的電容充放電而形成,其表達式為:

(2) 靜態功耗和動態功耗。當電路的狀態沒有進行翻轉(保持高電平或低電平)時,電路的功耗屬于靜態功耗,其大小等于電路電壓與流過電流的乘積;動態功耗是電路翻轉時產生的功耗,由于電路翻轉時存在跳變沿,在電路翻轉瞬間,電流比較大,存在較大的動態功耗。目前大多數電路都采用CMOS工藝,靜態功耗很小,可以忽略。起主要作用的是動態功耗,因此從降低動態功耗入手來降低功耗。

(3) 短路功耗。因開關時由電源到地形成的通路造成的,其表達式為:

(4) 漏電功耗。由亞閾值電流和反向偏壓電流造成。目前大多數電路都采用CMOS工藝,故漏電功耗很小,可以忽略。

1.2 電阻的功耗和有源器件的功耗

通常為負載器件和寄生元件產生的功耗。有源開關器件在狀態轉換時,電流和電壓比較大,將引起功率消耗。另外, CMOS電路中最大的功耗來自于內部和外部的電容充放電產生的功耗。

2 硬件低功耗設計

[BT3]2.1 選擇低功耗的器件

選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個硬件系統的功耗。目前的半導體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝,CMOS工藝具有很低的功耗,在電路設計上盡量選用,使用CMOS系列電路時,其不用的輸入端不要懸空,因為懸空的輸入端可能存在感應信號,它將造成高低電平的轉換。轉換器件的功耗很大,盡量采用輸出為高的原則。

嵌入式處理器是嵌入式系統的硬件核心,消耗大量的功率,因此設計時選用低功耗的處理器;另外,選擇低功耗的通信收發器(對于通信應用系統)、低功耗的訪存部件、低功耗的電路,目前許多通信收發器都設計成節省功耗方式,這樣的器件優先采用。

2.2 選用低功耗的電路形式

完成同樣的功能,電路的實現形式有多種。例如,可以利用分立元件、小規模集成電路,大規模集成電路甚至單片實現。通常,使用的元器件數量越少,系統的功耗越低。因此,盡量使用集成度高的器件,以減少電路中使用元件的個數,減少整機的功耗。

2.3 單電源、低電壓供電

一些模擬電路如運算放大器等,供電方式有正負電源和單電源兩種。雙電源供電可以提供對地輸出的信號。高電源電壓的優點是可以提供大的動態范圍,缺點是功耗大。例如,低功耗集成運算放大器LM324,單電源電壓工作范圍為5~30 V。當電源電壓為15 V時,功耗約為220 mW;當電源電壓為10 V時,功耗約為90 mW;當電源電壓為5 V時,功耗約為15 mW。可見,低電壓供電對降低器件功耗的作用十分明顯。因此,處理小信號的電路可以降低供電電壓。

2.4 分區/分時供電技術

一個嵌入式系統的所有組成部分并非時刻在工作,基于此,可采用分時/分區的供電技術。原理是利用“開關”控制電源供電單元,在某一部分電路處于休眠狀態時,關閉其供電電源,僅保留工作部分的電源。

2.5 I/O引腳供電

嵌入式處理器的輸出引腳在輸出高電平時,可以提供約20 mA的電流,該引腳可以直接作為某些電路的供電電源使用,如圖2所示。處理器的引腳輸出高電平時,外部器件工作;輸出低電平時,外部器件停止工作。需要注意,該電路需滿足下列要求:外部器件的功耗較低,低于處理器I/O引腳的高電平輸出電流;外部器件的供電電壓范圍較寬。

2.6 電源管理單元設計

處理器全速工作時,功耗最大;待機狀態時,功耗比較小。常見的待機方式有兩種:空閑方式(Idle)和掉電方式(Shut Down)。其中,Idle方式可以通過中斷的發生退出,中斷可以由外部事件供給。掉電方式指的是處理器停止,連中斷也不響應,因此需要進入復位才能退出掉電方式。

為了降低系統的功耗,一旦CPU處于“空轉”,可以使之進入Idle狀態,降低功耗;期間如果發生了外部事件,可以通過事件產生中斷信號,使CPU進入運行狀態。對于Shut Down狀態,只能用復位信號喚醒CPU。

2.7 智能電源設計

既要保證系統具有良好的性能,又能兼顧功耗問題,一個最好的辦法是采用智能電源。在系統中增加適當的智能預測、檢測,根據需要對系統采取不同的供電方式,以求系統的功耗最低。許多膝上型電腦的電源管理采用智能電源,以筆記本電腦為例,在電源管理方面,Intel公司采取Speed Step技術;AMD公司采取Power Now技術;Transmeta公司采取Long Run技術。雖然這三種技術涉及到的具體內容不同,但基本原理是一致的。以采用Speed Step技術的筆記本電腦為例,系統可以根據不同的使用環境對CPU的運行速度進行合理調整。如果系統使用外接電源,CPU將按照正常的主頻率及電壓運行;當檢測到系統為電池供電時,軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態運行。

2.8 降低處理器的時鐘頻率

處理器的功耗與時鐘頻率密切相關。以SAMSUNG S3C2410X (32 b ARM 920T內核)為例[8],它提供了四種工作模式:正常模式、空閑模式、休眠模式、關機模式,各種模式的功耗如表1所示。[HJ1][HJ]

由表1可見,CPU在全速運行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA的設備中,系統在全速運行的時候遠比空閑的時候少,所以可以通過設置,使CPU盡可能工作在空閑狀態,然后通過相應的中斷喚醒 CPU,恢復到正常工作模式,處理響應的事件,然后再進入空閑模式。因此設計系統時,如果處理能力許可,可盡量降低處理器的時鐘頻率。

另外,可以動態改變處理器的時鐘,以降低系統的總功耗。CPU空閑時,降低時鐘頻率;處于工作狀態時,提高時鐘頻率以全速運行處理事務,實現這一技術的方法。通過將I/O引腳設定為輸出高電平,加入電阻R1,將增加時鐘頻率;將I/O引腳輸出低電平,去掉電阻R1,可降低時鐘頻率,以降低功耗。

2.9 降低持續工作電流

在一些系統中,盡量使系統在狀態轉換時消耗電流,在維持工作時期不消耗電流。例如,IC卡水表、煤氣表、靜態電能表等,在打開和關閉開關時給相應的機構上電,開關開和關狀態通過機械機構或磁場機制保持開關的狀態,而不通過電流保持,可以進一步降低電能的消耗。[JP]

3 軟件低功耗設計

3.1 編譯低功耗優化技術

編譯技術降低系統功耗是基于這樣的事實:對于實現同樣的功能,不同的軟件算法,消耗的時間不同,使用的指令不同,因而消耗的功率也不同。對于使用高級語言,由于是面向問題設計的,很難控制低功耗。但是,如果利用匯編語言開發系統(如對于小型的嵌入式系統開發),可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設計消耗功率小的算法來降低系統的功耗。

3.2 硬件軟件化與軟件硬件化

通常的硬件電路一定消耗功率,基于此,可以減少系統的硬件電路,把數據處理功能用軟件實現,如許多儀表中用到的對數放大電路、抗干擾電路,測量系統中用軟件濾波代替硬件濾波器等。

需要考慮,軟件處理需要時間,處理器也需要消耗功率,特別是在處理大量數據的時候,需要高性能的處理器,這可能會消耗大量的功率。因此,系統中某一功能用軟件實現,還是用硬件實現,需要綜合計算后進行設計。3.3 采用快速算法

數字信號處理中的運算,采用如FFT和快速卷積等,可以大量節省運算時間,從而減少功耗;在精度允許的情況下,使用簡單函數代替復雜函數作近似,也是減少功耗的一種方法。

3.4 軟件設計采用中斷驅動技術

篇（3）

Bashir M. Al-Hashimi, University of

Southampton, UK

Petru Eles, Linkping University, Sweden

System-Level Design

Techniques for

Energy-Efficient

Embedded Systems

2004, 194pp.

Hardcover GBP 72.00

ISBN 1-4020-7750-5

Kluwer Academic Publishers

M.T.施密茲，B.M.奧-哈希姆，P.埃萊斯著

現在對于低功耗的嵌入式計算系統的需求持續上升。信息技術的發展使得集成電路單位面積上集成的晶體管越來越多，這就必然導致單位面積上的功耗越來越大，局部過熱會讓晶體管處于不穩定狀態，因此，低功耗技術的研究意義十分重大。本書主要討論節能型嵌入式系統的有效自動設計技術的開發和驗證，重點介紹了嵌入式系統的系統級同步綜合技術，包括動態電壓調度處理器技術。這種技術在性能和功耗之間權衡，使得系統低功耗高性能。

全書分為五部分。第一部分討論分布式嵌入式系統的能量降低技術：動態電壓調度，這是一種基于電壓梯度的電壓選擇技術，這種技術利用了系統的空閑和剩余時間來降低功耗，考慮了每一個單獨任務的功耗，很多測試程序證實了這種技術的有效性。第二部分重點在于基于遺傳算法的同步綜合技術，包括任務調度和分配；調度優化系統任務的次序，不僅僅是為了提高性能，也采用電壓調度來達到節省功耗的目的；分配優化的目的在于將系統任務分配給分布式系統的各個設備來達到低功耗。第三部分主要討論了多模式系統的功耗最小化技術，提出了一種基于操作模式狀態自動機的同步綜合技術，這種技術通過考慮特定操作模式的執行概率大大降低了功耗。第四部分主要討論了特定應用背景下的動態電壓調度技術，主要通過實例來驗證這個技術，說明這種算法的有效性。第五部分介紹了一種自動化設計工具LOPOCOS.。

本書適合計算機體系結構專業的研究生和工程技術人員閱讀，同時也適合相關專業對低功耗有興趣的人員參考。

丁丹，碩士生

篇（4）

近年來，視頻監控系統已經遍布人們生活的各個角落，廣泛應用于交通、電力、銀行、商場等場所，在維護社會秩序方面起到了一定作用。然而，隨著科學技術的發展，一種基于嵌入式技術的視頻監控系統逐漸取代傳統的視頻監控系統。嵌入式系統開發的目的是強化其應用性，適用范圍更廣，通過對視頻流進行編碼、壓縮，可經過互聯網在獲得授權的數字終端上觀看視頻。

1 嵌入式視頻監控系統的框架

為達到實時監控的目的，設計人員將用于錄像的攝像頭放置于被監控點附近，通過視頻線纜將圖象傳送至監控室。因此，嵌入式視頻監控系統包括服務器端與客戶端兩大部分，服務器端的組成有硬件開發平臺、嵌入式計算機操作系統（以Linux為主）、應用層軟件、視頻采集卡、無線傳輸模塊，客戶端則由計算機、操作系統、應用軟件組成，嵌入式系統的框架如圖1所示。

服務器端是嵌入式視頻監控系統的核心，其硬件核心是嵌入式微處理器，結合多種外設（攝像頭、無線網卡等），為客戶端提供圖像資源。客戶端則是將服務器端編碼、壓縮處理后的視頻進行解碼，并通過顯示器播放視頻圖像。基于無線傳輸與互聯網技術的嵌入式視頻監控系統實現了視頻的遠距離傳輸、控制，這解決了嵌入式視頻監控系統在大面積假設過程中的布線問題。

2 嵌入式視頻監控系統應用軟件的設計

根據嵌入式視頻監控系統的組成，在設計相關應用軟件時，需要分別考慮服務端軟件與客戶端軟件的不同，通過軟件設計流程圖對比，不同組成部分的軟件設計思想存在明顯差異。

由此可以看出，服務器端應用軟件與客戶端應用軟件之間是相互關聯的，服務器端所采集到的視頻數據需要在客戶端應用軟件發出請求后進行傳輸。基于視頻處理方式的不同，服務器端應用軟件主要實現的視頻信號的壓縮、編碼，而客戶端應用軟件則是對受到的視頻信號進行解壓、解碼，并在顯示器上進行播放。

2.1 服務器端應用軟件的設計思想

根據視頻監控系統的實際需要，服務器端需具備多線程任務處理能力，其中有3個線程需要占用一定的系統資源，分別為主線程、視頻信號采集線程、視頻信號發送線程。其中，主線程的任務是對系統外設進行初始化，保證參數設置的正確性。視頻信號采集線程則負責將攝像頭錄制的視頻信號采集至視頻信號緩存區，同時經過視頻采集卡完成視頻的壓縮、編碼過程。視頻信號發送線程則將位于緩存區的視頻信號通過制定接口對外發送，這一過程的結束則意味著服務器端的主要任務完成。

2.2 客戶端應用軟件的設計

與服務器端相類似，嵌入式視頻監控系統的客戶端軟件依然需要同時運行多個線程，其中主要包括主線程、視頻信號接收線程和視頻信號解碼顯示線程。在客戶端通電之后，客戶端程序開始運行，完成相關配置的初始化過程，主線程保證客戶端軟件的正常工作，避免大數據流下導致的軟件崩潰，當主線程向服務器端發送視頻信號請求線程后，視頻信號接受線程開始工作，將接收到的視頻信號交由視頻信號解碼顯示線程，最終將視頻信號投放在顯示器上。在此過程中，客戶端應用軟件需要調用recvform（）不斷接受服務器端發送來的UDP數據包，此類數據包被存放于客戶端計算機的緩存區，并按照一定的順序進行排列，以便于下一步的MJPEG解碼過程，解碼后的視頻通過調用SDL進行播放。

3 嵌入式視頻監控系統測試

為保證系統測試的準確性，關于嵌入式視頻監控系統的測試一般選擇有線傳輸和無線傳輸兩種模式，從使用的角度看，基于無線傳輸技術的嵌入式視頻監控系統將成為未來發展的主流，所以，這里以無線傳輸模式下的嵌入式視頻監控系統為例。

首先，在對嵌入式視頻監控系統進行測試之前，需要記錄服務器端與客戶端的IP地址；其次，檢測檢查客戶端應用軟件對攝像頭的控制命令；再次，在視頻監控系統客戶端的控制矩陣上對顯示畫面進行選擇性切換，檢查切換畫面是否正確；最后，將已經保存的錄像進行拷貝，檢查該錄像能否通過解碼在其它客戶端上播放。

檢查視頻錄像保存結果的主要原因在于無線網絡傳輸環境的不穩定性所帶來的數據包丟失問題，視頻傳輸過程中的數據包丟失較為普遍，然而，如果出現連續性的數據包丟失，則會導致視頻播放錯誤。以在無線傳輸環境下的視頻監控系統數據傳輸測試為例，具體如表1所示。

由此可見，無線傳輸環境下的嵌入式視頻監控系統的信號傳輸依然保持了較高的穩定性，丟包率維持在較低水平，四次測試的丟包率分別為0.0932%、0%、0.15%和0.181%，平均丟包率為0.1065%。

在畫質方面，由于無線傳輸模式通過互聯網進行數據的傳輸，相比較有線傳輸模式，無線傳輸模式下的嵌入式視頻監控系統畫質較好。導致這種情況的主要原因是有線傳輸模式存在能量的衰減，在無信號放大器的情況下，隨著服務器端與客戶端的距離增加，圖像質量將不斷下降。

總的來說，嵌入式視頻監控系統的穩定性較以往有所提高，無線傳輸技術的使用，在降低嵌入式視頻監控系統設計成本的同時，也實現了對嵌入式技術的有效利用，推動了嵌入式視頻監控系統在社會各領域的廣泛應用。

4 總結

嵌入式技術的廣泛使用，現了視頻監控系統的小型化、節能化和低成本化，這對于視頻監控系統的推廣應用有著積極意義。通過不斷完善嵌入式視頻系統的硬件設計，開發具有多種功能的應用軟件，使嵌入式視頻監控系統同時具有便攜性與靈活性的特點，結合無線傳輸技術，使視頻監控系統真正擺脫遠距離傳輸信號質量差、成本高等一系列問題。

參考文獻

[1]何蘇勤，楊美薈.嵌入式視頻監控系統實時性研究[J].計算機工程，2009（04）.

[2]郭向勇，呂利昌，何曉青.基于嵌入式視頻多媒體集中控制系統實現的關鍵技術研究[J].現代電子技術，2008（04）.

[3]張莉，周兵，柳松.嵌入式視頻監控組件的設計與實現[J].微計算機信息，2007（35）.

[4]李豫東，金龍旭，任建岳.高分辨率嵌入式視頻監控設備的設計[J].微計算機信息，2009（08）.

作者簡介

篇（5）

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）32-7230-02

隨著電子信息技術的發展，計算機在不同領域中得到了廣泛的應用，人們根據不同領域的實際需求，針對性的開發了具有相應功能的軟件，從而提高實際的工作效率，但是在計算機出現的早期，受到其體積和性能上的限制，其應用的范圍很小，隨著晶體管和集成電路的出現，計算機的體積和性能得到了極大的提升，從計算機的發展可以看出，每次技術的更新，都是為了減小其體積，同時提高其性能。計算機的出現是革命性的，由于其能夠自行的處理任務，如果應用在實際的工業生產中，就能夠實現生產的自動化，這也是近些年計算機應用發展的方向，但是通過實際的調查發現，計算機在應用的過程中，雖然經過了多年的發展，出現了筆記本電腦，在體積上得到了極大的控制，但是在工業控制領域中，這樣的體積依然很龐大，在這種背景下，人們發明了單片機這種微型計算機，并在工業控制中得到了廣泛的應用。

1 嵌入式架構簡述

1.1 嵌入式架構的概念

嵌入式架構是隨著計算機的發展，逐漸形成的一門學科，現在很多高校中，都開設了這門課程，為社會培養大量的相關人才，學生在畢業后，能夠掌握到充足的嵌入式架構知識，從而能進行計算機系統的設計，我國受到特殊的歷史因素影響，經濟和科技發展的起步較晚，與西方發達國家相比，存在較大的差距，尤其是在電子信息領域。雖然近年來隨著國家的重視，出臺了很多優惠的政策法規，鼓勵和扶持我國相關產業的發展，經過了多年的發展，現在我國嵌入式架構的研究，已經得到了很大的提高，但是通過實際的調查發現，嵌入式架構使用的單片機等設備，目前還都是國外的公司生產的，我國技術人員在完成系統的開發后，都需要采用國外的設備，由于我國一直受到西方國家的技術封鎖，很多先進的設備都無法進口，在很大程度上影響了我國嵌入式架構的發展。對于嵌入式架構的概念，國際電氣和電子工程師協會給出了具體的解釋，是控制、監視等輔助設備工作的系統，目前對于嵌入式架構的理解，主要基于計算機技術，一般情況下，可以把帶有控制程序的處理器，看成是一個嵌入式架構，在不同的時期，人們對于嵌入式架構概念的理解，也存在一定的差異，但是從根本上來說，都是為了更好的使用嵌入式系統。

1.2 嵌入式架構的特點

與傳統的計算機技術相比，嵌入式架構具有鮮明的特點，首先就是體積更小，在嵌入式架構出現的早期，主要是在計算機的基礎上，進行系統的開發，但是隨著相關技術的發展，嵌入式架構自身有了很大的進步，尤其是單片機等微型計算機的出現，使得其應用的范圍更加廣泛，從某種意義上來說，單片機的出現，就是由于嵌入式架構應用的需要。其次嵌入式架構具有控制的特點，隨著電子信息化的發展，很多機械設備都采用了智能芯片，通過這些芯片的使用，可以寫入特定的控制程序，從而達到相應的控制目的，近幾年軟件技術有了很大的發展，尤其是在人工專家模塊出現后，計算機軟件可以實現一定的智能化，在遇到一些問題時，可以通過檢索以前的經驗，對問題自行進行處理，如果將這個技術應用到嵌入式架構中，就可以實現工業生產的自動化控制。從根本上來說，工業的自動化控制技術，就是在單片機等微型計算機的基礎上發展起來的，而單片機的使用，大多都是在嵌入式架構，通過硬件和軟件的針對性設計，可以最大程度的提高單片機應用的效率。

2 單片機系統設計的現狀

2.1 單片機系統設計的發展

單片機的出現，主要是由于實際應用的需要，傳統的計算機受到體積上的限制，雖然在很多領域中得到了應用，但是在實際的工業生產中，要想對生產過程中的每個環節進行控制，必須將所有的環節通過特定的方式連接起來，然后設置一個中央服務器，通過硬件和軟件等方式，對生產進行實時的控制，只有這樣才能夠最大程度提高生產的效率。由此可以看出，單片機系統的發展，可以分成硬件和軟件兩個部分，而這兩個部分都受到計算機技術的影響，尤其是軟件方面，在初期使用機器語言進行編程時，還沒有單片機的出現，而匯編等低級語言使用，單片機程序的編寫，也采用這些低級語言，隨著計算機軟件技術的發展，逐漸的出現了C語言等高級語言，相應的單片機系統設計，也開始使用這些高級語言，極大的提高了軟件編寫的效率。單片機系統硬件的發展，由于其出現和發展都在西方發達國家，而且由于社會和經濟的體制不同，這些國家對我國一直存在技術上的封鎖，因此我國很難接觸到先進的單片機系統知識，在很大程度上影響了我國單片機技術的發展，目前使用的單片機設備，都是國外公司生產的，而且一些最新的單片機，對我國還存在進口的限制。

2.2 單片機系統設計中存在的問題

單片機從出現開始，到現在已經使用了多年，在應用的過程中，其自身的理論在不斷的完善，通過單片機系統的使用，可以輕松的實現工業生產的自動化，進而提高生產的效率，正是由于單片機系統的這個特點，使得每個企業都希望能夠通過這樣的方式，來提高自身的生產效率，但是在實際應用的過程中，不同公司加工的產品不同，生產設備也存在一定的差異，如果使用同樣的單片機系統，顯然無法最大程度的提高生產效率。因此現在單片機系統的使用，都會根據實際的需求，對單片機系統的功能，進行針對性的設計，但是通過實際的調查發現，目前單片機系統設計中，還存在著一些問題，使得設計的系統不是很完善，在實際使用的過程中，經常會出現一些漏洞，影響產品的加工效率，由于單片機系統設計可以分成軟件和硬件兩個部分，因此對系統設計存在的問題，也可以從這兩個方面進行分析。首先就是硬件性能不合格，在設計完實際的電路后，對各個元器件的性能，都有具體的要求，如果這些器件的性能達不到相應的指標，那么電路顯然就無法正常的運行，其次就是軟件設計的不完善，由于軟件自身的特殊性，無法編寫出完美的程序，程序自身越復雜，存在的漏洞也就越多，如果在程序編寫完成之后，沒有經過科學的測試，那么在應用時，就可能會出現問題。

3 基于嵌入式架構的單片機系統設計分析

3.1 基于嵌入式架構的單片機系統硬件設計

在單片機出現的早期，由于還沒有形成嵌入式架構的概念，因此在實際的系統設計中，而且單片機系統的使用，都是對現有的生產線進行改進，通過在生產設備上增加一些線路，然后用單片機對其進行控制，在這種模式下，硬件設備的選擇，主要是根據環境來進行，對硬件設備的體積要求比較嚴格。隨著硬件設備的發展，現在生產單片機的公司有很多，可以實現同樣功能的元器件有很多，而自動化技術的出現，使得生產線在設計的過程中，會根據控制的需求，進行相應的變化，這種單片機系統使用方式上的轉變，極大的促進了其應用的發展，為了達到更高的控制效率，人們將單片機放到生產線的每個環節中，然后將這些單片機連接到一個服務器上，就能夠實現對生產的全面控制。現在單片機系統設計中，首先進行的就是硬件上的設計，通常情況下，會根據生產的實際情況，對控制的功能進行需求分析，單片機系統硬件的設計，會和生產線的硬件設計同步進行，如果控制系統的硬件出現問題，可以根據需要，對生產線進行一定的修改。

3.2 基于嵌入式架構的單片機系統軟件設計

嵌入式系統與傳統的應用方式相比，最明顯的特點就是多了輔助設備，如以往應用計算機的過程中，都是計算機的單獨使用，人們直接利用計算機來處理一些問題，或者利用計算機來控制某些設備的工作，沒有任何的輔助設備，而嵌入式架構下，需要借助單片機等設備，如一條生產線通常包括多個加工工藝，如果采用計算機的統一控制，就無法實現對每個環節的單獨控制，而利用單片機系統，在每個加工環節中，都嵌入一個單片機，然后將這些單片機連接到一個計算機服務器中，就可以實現局部的控制。而要想完成這個過程，就要通過相應的軟件功能，對于同樣的單片機系統，如果根據實際應用的需要，設計不同的程序，能夠實現不同的控制功能，由此可以看出，軟件設計是單片機系統工作的核心。

4 結束語

作為以計算機為基礎的技術，嵌入式架構的發展，很大程度上受到計算機技術的影響，如在計算機剛出現時，由于其性能比較，甚至還不如現在的電子計算器，因此實際的應用很少，只是在實驗室中進行科研使用，但是人們從計算機的特點能夠看出，隨著技術的進步，將來計算機一定會得到普及應用。在這種背景下，很多專家和學者對計算機進行了研究，通過大量的實踐，極大的推動了計算機的發展，于是計算機越來越多的用來處理實際問題，為了提高控制的效率，人們對程序進行了完善，經過全文的分析可以知道，嵌入式架構和單片機的出現，都是由于實際應用的需要，而單片機在實際應用的過程中，還存在很多問題，如果能夠采用嵌入式架構，那么就能夠極大的提高單片機系統的使用效果。

參考文獻：

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在嵌入式系統的設計工作中，設計者更多的將精力放在嵌入式系統體系結構上，使系統變得更靈活。本文主要通過利用抽象的ADL體系結構描述語言對嵌入式系統進行實驗和系統的設計，并經過反復過程達到設計要求。總的來說，對抽象級嵌入式系統設計方法的探討是為了提高嵌入式系統的設計效率，并從一定程度上加快嵌入式系統的發展和嵌入式系統在不同硬件中的應用。

1 嵌入式系統設計介紹

嵌入式系統問世已經有一段時間了，其協議也逐漸變得更加穩定和通用。就目前來看，市場上基于嵌入式系統的產品在逐漸增多，再加上隨著幾個大型企業的推進和改革讓很多芯片和模塊的發展逐漸走向穩定的道路。所以嵌入式系統的開發環境主要是依托于執行特定任務的系統芯片之中。由于嵌入式系統在開發中具有相當的難度，所以ADL體系結構和設計語言多應用于抽象級嵌入式系統的開發，所以筆者就嵌入式系統的開發做出具體介紹。

（1）基于ADL體系結構設計的語言和設計方法。ADL體系結構應用在很多軟件系統的開發之中，從目前的情況來看，我國對硬件體系結構的研究主要停留在非形式化的基礎之上。很大程度上依賴于硬件設計的傳統經驗。在目前的硬件開發中，很難描述不同組成部件之間的組合關系，導致開發人員對硬件的實際結構難以理解或難以形式化分析。而從經濟角度出發，基于結構的硬件研發手段又是目前主要的應用手段，所以在實現實際結構之前應該進行虛擬化的模擬。這也就是抽象級嵌入式系統開發的核心理念。JET技術就是為了支持這一抽象級開發而被使用的技術，擁有更強大和靈活的工具，能快速的轉變JAVA和VHDL和其他語言的代碼。JET技術實現的主要思路表示如下：

Sample.xml + xxx.jet = 生成文件（.java .vhd）

其中，sample.xml為參數文件，主要提供輸入數據。xxx.jet為具體的模板文件。主要利用不同的代碼生成功能不同的jet文件。

（2）基于上述實驗的具體證明。筆者為了說明此方法的具體特點，就設計了模型CPU，控制器采用微程序的方法，只能完成基本的算術和邏輯。模型CPU的指令系統分類比較詳細，在實際應用中可以根據不同的需要對指令系統進行擴充。再加上控制器采用微程序的方式，指令系統的更改將變得更加容易。具體的指令系統如表1所示。

根據表1所述指令系統，可以通過開關輸入檢驗指令的執行和具體結構系統的正確性。最終確定，模型CPU的運轉共分為取指令周期、指令執行周期等。

2 抽象級嵌入式系統設計模型描述

抽象級嵌入式系統由于其技術特點決定，是最適合工業以及工程遠程操控。這是因為工業生產設備的遠程操控比較簡單，傳輸數據較少，而且對系統的通信技術性價比的要求較高。所以嵌入式系統正是工業設備遠程操控的最佳選擇。比如水利工程遠程操控，可以基于嵌入式系統技術結合PLC技術實現水利工程的遠程操控。而對于嵌入式系統的市場化應用則是應該對嵌入式系統的產品加大開發力度。從硬件和軟件兩部分出發，雙管齊下，提升嵌入式系統的市場占有率以及市場產品的使用率。對于硬件來說，應該加強對芯片以及電路板的研究，將其低功耗與高性能的特點發揮出更大的作用。而軟件部分則主要是對傳輸協議的進一步改善，讓嵌入式系統更加普及。

在抽象級嵌入式系統具體設計時，由于其CPU的結構與傳統設計有相同和相似的地方，而且CPU還具有不少固定的結構。所以利用抽象級嵌入式系統設計方法設計的CPU可以明顯的提升設計效率。在設計時，首先要基于XML的ADL語言本身對模型CPU進行屬性和參數的設計。然后利用不同的技術實現代碼的映射，從而調整上層系統的具體設計方案。

在設計完成后，如果需要對地層設計進行修改，則只需要修改頂層的有關參數即可。利用XML代碼的靈活，保證了模板文件對應的設計比較正確，也能保證整個設計的正確性和可靠性。總的來說，對抽象級嵌入式系統的設計方法主要是為了避免傳統嵌入式系統的設計方法中存在大規模系統設計適應度不足的問題。可以說抽象級嵌入式系統的設計改變了原有的底層代碼編寫方式，將嵌入式設計提升到一個高級抽象級別。這種方法主要應用基于XML的ADL語言進行操作，并利用嚴格設計的目標文件和JET技術自動生成所需要的底層代碼，不僅提高了設計的效率，還提高了設計的整體可靠性。所以，對抽象級嵌入式系統的研究是具有很高的理論價值與經濟價值的。

3 結語

在嵌入式系統的設計工作中，設計者更多的將精力放在嵌入式系統體系結構上，使系統變得更靈活。本文主要通過利用抽象的ADL體系結構描述語言對嵌入式系統進行實驗和系統的設計，筆者認為，抽象級嵌入式系統的設計改變了原有的底層代碼編寫方式，將嵌入式設計提升到一個高級抽象級別，總的來說，抽象級嵌入式系統的研究價值是很高的，而且通過不同的模式表現出來。

篇（7）

一、嵌入式系統設計

嵌入式系統由軟件模塊以及硬件模塊組成，其中軟件模塊需要在硬件模塊中運行才可以實現其功能。嵌入式系統中的硬件部分是嵌入式系統的基礎部分，主要提供嵌入式系統的I/O端口、外設接口等，而軟件是嵌入式系統的控制核心，通過運行，給硬件提供指令，指示硬件進行相應的動作，也就是說軟件必須在硬件部分上運行，才可以起到很好的作用。

二、嵌入式系統趨向低功耗的必要性

1.節能的需求

嵌入式系統是一個相對復雜的系統，各個模塊工作時工作量是很大的，這就需要電源供應正常，保證系統的正確運行。而隨著系統的不斷擴大，各個模塊會造成更大的功耗，因此，為了更有效的利用嵌入式系統，延長嵌入式系統的工作時間，需要采取節能措施。

2.增強抵抗能力

在嵌入式系統工作的過程中，難免會受到外界的干擾，特別是嵌入式系統中敏感電子元器件，更應該做好防磁的措施，如果處理不當，不能很好的增強抵抗力，將嚴重影響系統的正常工作。嵌入式系統的功耗越高的話，電磁輻射能量就會越大，這樣嵌入式系統自身以及外設都會受到影響，造成精度的降低。

三、利用嵌入式系統硬件設計方法降低功耗

對于嵌入式系統而言，硬件功耗問題是主要原因，對于嵌入式系統低功耗設計的影響因素最大，處理好硬件低功耗設計，會對嵌入式系統低功耗做出重大貢獻。

1.優先選擇低功耗芯片、元器件

在嵌入式系統工作的過程中，芯片元器件對電源的消耗非常的大，因此，在嵌入式系統設計前，對于元器件的選擇，除了滿足設計性能指標的需求，還需要滿足功耗問題，盡量選擇低功耗芯片。現在比較成熟的工藝主要有兩種，一個是TTL工藝，另一種是CMOS工藝，其中CMOS工藝耗能很少，可以優先選擇。對于芯片的設計或者焊接時，需要注意的是芯片引腳不要出現懸空端，懸空端容易引進外界噪聲信號，對嵌入式系統的電源會產生很大的影響，造成高低電平的轉換。在默認的情況下，如果高低電平轉換，功耗會很大，這個時候，最好選擇高電平輸出，確保耗能降到最低。

2.采用不同步供電技術

一個完整的嵌入式系統包含很多部分，比如說包含AD采樣、DA轉換、UART異步串行通信等等，這些模塊在系統工作時不會同時工作，有可能在進行完一個模塊后才進行下個模塊，為了降低功耗，可以選擇不同步，即采取分時方法，當某一模塊工作完后如果需要隔很長時間才會再執行操作，那就可以選擇執行完后將此模塊設置為休眠狀態，從而降低功耗。

3.合理利用I/O端口資源

嵌入式系統工作時，需要頻繁的使用I/O口，I/O口在輸出的情況下可以輸出約為20mA的電流，對于次，可以采取有效的措施，很好的利用這一電流，對其他外設采取供電的辦法，當然，外設對電流的需求需要小于20mA。采取這種辦法，可以很好的利用這一資源，得到充分的利用，更好的降低功耗。

4.加強智能電源設計工作

解決好嵌入式系統低功耗的問題，需要注意的就是減少耗能問題，而解決好耗能問題，還可以從另一個角度解決，優化電源設計，趨向于智能化方向發展。在智能電源中安裝自動檢測芯片，這樣可以確保系統處于不同的情況下時，采取不同的策略，及時的做出處理，這樣就可以對CPU以及外設模塊采取不同的處理措施。比如說，當系統在外部正常供電時，這個時候電源供應可以采取正常供電的方法，提供正常的工作頻率，保證電壓的正常使用；而如果電源模塊檢測到系統工作在外部電池狀態下，那這個時候，根據檢測的結果，可以降低系統主頻率，將電壓降低到最小運行值，確保嵌入式系統工作在低功耗的狀態下。

四、利用嵌入式系統軟件設計方法降低功耗

1.減少編譯運行時間

嵌入式系統的工作離不開軟件的執行，一個小模塊的正常運行往往需要很多條代碼執行編譯。嵌入式系統在運行中需要幾個模塊先后都運行，也就是說，需要大量的代碼執行編譯過程，這樣的話，就會直接造成功率極大消耗。針對于此，可以對程序進行優化，因為代碼有單周期、雙周期、四個周期之分，對代碼優化，盡量選擇與底層密切、周期短的指令，這樣，程序代碼在編譯的過程中，會提高處理速度，降低功耗。一般來講，低級語言，比如說匯編語言，相對高級語言，比如說C語言、C++語言功耗要低很多。

2.鼓勵使用軟件代替硬件，硬件代替軟件的方法

嵌入式系統在執行某個指令或者為了實現某個功能某塊時，可以既選擇硬件模塊實現，也可以用軟件方法實現，比如說軟件程序FIR濾波與硬件設計模擬低通濾波，這兩種方法都可以實現濾掉高頻信號，確保低頻信號全部通過。這個時候，可以比較這兩種方法，哪一種最優，最節省功耗。軟件中處理器需要時間，編譯消耗功率，而硬件中電路工作也會消耗功率，因此，通過比較，可以做出最佳選擇。

3.采用快速運算處理的計算方法

嵌入式系統在處理接收到的數據時，往往需要大量的運算，才會得到期望的結果。為了有效的降低功耗，提高處理速度，對一些算法可以進行優化。比如說在進行DFT傅立葉變換時，傳統的思想是利用DFT設計，求出結果，但是這種設計相對FFT快速傅立葉變換而言，運算量大，時間也很長，這個時候就可以采用FFT的方法。在進行設計時，對各種算法都進行充分比較，在需求的精度都滿足的情況下，優先選擇算法處理快的。

4.軟件設計建議多采用中斷程序

嵌入式系統在工作時，當系統上電初始化時，主程序只會實現系統的初始化，這其中包括各個模塊寄存器的初始化，外部設備的初始化。對于系統軟件降低功耗，還可以采取的辦法就是當程序沒有動作需要執行的時候，可以將系統設置在低功耗狀態，而當系統有動作要發生時，這個時候，可以利用中斷程序，讓系統跳到要執行動作的程序中，也就是說此時僅僅中斷程序會消耗功率，其他模塊不會。待中斷程序執行完之后，系統繼續回到低功耗的狀態，節省電量的消耗。

五、結束語

隨著社會的發展，科技不斷進步，嵌入式系統日益趨向于智能化、自動化方向發展。在各行各業中，嵌入式系統都得到了很好的應用。不過隨著功能的增強，應用增多，電源供應成了問題，很多嵌入式系統的耗能都很嚴重。考慮到嵌入式系統由軟件以及硬件兩大部分組成，因此，為了降低嵌入式系統的功耗，可以通過硬件措施以及軟件措施，實現目的。對硬件方法主要考慮到硬件的電源、芯片選擇以及I/O的有效利用；而對于軟件而言，主要就是對程序進行很好的優化，充分將軟件與硬件結合，只有這樣，才能更好的解決嵌入式系統的功耗問題，促進嵌入式系統更好的發展。

參考文獻

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[5]張健.嵌入式系統低功耗電路設計[J].光電技術應用，2005（6）.

篇（8）

1.背景

如今嵌入式系統在日常生活中扮演著越來越重要的角色。從消費電子產品到航天工業，從熱門的電子應用（如智能手機和平板電腦等）到相對不起眼的應用（如人造衛星等），嵌入式系統直接或間接地影響人們生活的方方面面。嵌入式系統的巨大潛力使得教育工作者對它的討論從來沒有停止過。世界無數的教育工作者提出了大量新穎和具有創造性的方法和理論，以促進嵌入式系統教育水平的提高，他們大都贊同嵌入式系統具有與實際應用緊密聯系的顯著特點。

嵌入式系統應用在一個廣闊的領域，如簡單的微控制應用、控制系統、分布式嵌入式控制、片上系統、網絡、嵌入式PC、關鍵系統、機器人、計算機設備、無線數據系統和信號處理。同時，一些交叉領域知識對于嵌入式系統設計者也同樣重要，如安全、可靠性、節能、軟件/系統工程、實時計算和人機交互等。

對于想成為合格嵌入式系統設計者的學生來說，他們希望能夠親手接觸這些嵌入式應用，因此設計一個高效的實驗系統非常重要。實驗平臺應該能聯系抽象的理論知識和實際應用，以幫助學生領會嵌入式系統的知識奧秘。

2.嵌入式系統實驗教學的特點

嵌入式系統實驗教學與其他課程實驗教學有兩個方面的不同：軟硬件高度結合、知識和技術更新速度快。嵌入式系統實驗教學的特點如圖1所示。

嵌入式系統實驗教學的第一個特點是軟硬件高度結合。一個完整的嵌入式系統需要在軟硬件基礎之上工作。在嵌入式實驗教學中，任何一個環節的缺失或弱化都是錯誤的。我們過去就犯過這方面的錯誤。嵌入式系統是清華大學計算機科學與技術系大四本科生的一門專業必修課。學生希望在課程結束后對嵌入式系統有一個完整的認識，但是發現在學習完這個僅有2個學分的課程后，依然無法設計出一個軟硬件兼備的完整嵌入式系統。因此，我們讓學生使用開源軟件工具設計諸如鼠標或鍵盤等設備的驅動程序，但是效果并不理想，岡為學生僅僅熟悉了他們所實驗的部分內容，而這些內容只是他們應該掌握內容的一小部分，這不僅是由于實驗任務的限制，還因為學牛無法接觸硬件層面的操作，無法全面領會嵌入式系統。

嵌入式系統實驗教學的另一個特點是嵌入式系統知識和技術更新速度快。在第1節我們曾提到過，緊跟實際應用是嵌入式實驗教學的一個關鍵元素。由于嵌入式系統技術日新月異，嵌入式實驗課程講述的知識和技能以及嵌入式實驗設備和組件都必須不斷發展。我們在對清華大學計算機科學與技術系學生的調查問卷中發現，對傳統嵌入式實驗平臺的主要批評是實驗設備和組件過于陳舊，實驗平臺與當前技術聯系不夠緊密，實驗內容缺乏吸引力。

綜上所述，設計一個高效的嵌入式實驗平臺必須考慮軟硬件結合和嵌入式技術飛速發展這兩個因素。

3.當代學生的特點

除了嵌入式實驗課程本身，學生是不可忽略的另一個關鍵因素。學生是實驗的參與者，他們對實驗的感受影響著實驗課程教學的成敗，但是我們發現傳統的實驗方法令當代學生逐漸失去學習興趣，這主要是因為學生一代一代地不斷發展與進步，而傳統的實驗方法卻多年不變。

文獻[2]指出當代學生與過去的學生有所不同：缺乏鉆研精神、缺乏耐心和依賴于軟件。當代學生的特點如圖2所示。

當代學生的第1個特點是缺乏鉆研精神絕大多數學生成長于用戶至上主義日益流行的社會環境。相對于基礎原理，他們更關注功能；相對于架構，他們更關注表象。簡而言之，當代學生中很少有人理解嵌入式系統的基本原理，另一方面，傳統的實驗平臺專門為演示和驗證書本中講述的原理而設計，因此學生漸漸地無法將實際應用與特別設計的實驗相聯系，產生的問題是如果學生無法預見所學知識的未來應用前景，就會將關注點轉移到其他方面。由此可見，將實驗平臺與時興技術相結合非常重要。

當代學生的第2個特點是缺乏耐心。生活節奏的日益加快和互聯網絡的日益普及，使得當代學生漸漸缺乏耐心。他們習慣在實驗開始后急于見到結果，就好像點擊鼠標后立刻能在屏幕上看見反應，但是在傳統的教學方法中，教學總是從對課程的全面描述分析開始。實踐證明這種描述很必要，它可以幫助學生全面了解課程的知識結構，但是這些內容有時會讓學生退卻，因為學生感覺課程非常抽象與枯燥。鑒于這些問題，新實驗平臺應該在嵌入式系統的第一堂課就引起學生的興趣，同時提供一個吸引人的“結果”。

當代學生的第3個特點是依賴于軟件。嵌入式系統的發展通常被認為是民眾賦予的。在某種程度上，這種發展是電子工程向更智能化發展的結果。然而，電子工程這種不可見的層面，通常被復雜的用戶界面和其他圖標所偽裝，使得大家將其歸功于計算機科學，而不是電子工程。許多大學并沒有意識到這個問題，而將大部分注意力放在嵌入式軟件設計，忽略硬件層次的介紹。這種在嵌入式系統教學中的錯誤關注導致出現“軟件比硬件更加重要”的錯誤認識。為了糾正這個偏見，我們應該重視硬件并將其引入嵌入式系統課程。

總之，為了設計一個高效的實驗平臺，當代學生的特點不容忽視。

4.設計嵌入式實驗平臺的原則

基于上述討論，我們提出嵌入式系統教學實驗平臺的幾項設計原則。

完整性：實驗平臺應該相對完整。學生不但能接觸軟件，而且能操作硬件。這個原則主要解決兩個問題：首先糾正學生偏重于軟件的錯誤；其次在第一節課就能吸引學生，告訴他們課程最后能夠建立一個基本的卻相對完整的系統。

開發性：實驗平臺應該能幫助學生自由地實現創新思想。實驗平臺在軟件和硬件上都應為學生預留足夠數量和種類的接口，使學生能夠以此為基礎構建自己的嵌入式系統。在實踐過程中，越來越多的基于實際應用的嵌入式系統由學生實現，同時學生的創造熱情也被激發出來。

從教學的角度看，實驗平臺應包含以下特點。

可升級性：平臺的軟硬件應該能分別擴展和升級，而無需對整個平臺進行修改。如第2節所述，嵌入式系統技術升級速度快，尤其是硬件設備。為了滿足經常升級的需要，可升級性原則應該被放在關鍵位置。

靈活性：實驗內容應該能根據課程的要求而裁剪，以便于實驗平臺的廣泛推廣。大多數定制的實驗平臺在靈活性上有所欠缺，其實驗內容無法增加或減少，而為了適應課程學時的變化不得不重新設計實驗。

為了達到上述目標，我們提出一個完整的概念模型。目標系統的概念模型如圖3所示。

這個概念模型由3個中間層和2個層組成。中間層包括主系統層、中間通道層和從系統層。層包括應用層和組件層。我們將解釋這個模型如何能實現前面提出的目標。

完整性：把中間3層看作一個整體，這個基本模型由一個典型嵌入式系統中的主要元素組成，從最頂層的應用層到最底層的功能組件層。學生可以接觸完整系統的每一個組件。

開放性：模型的最頂層和最底層向學生開放。實驗平臺的設計者將足夠多的軟硬件接口提供給學生，這些接口必須是完整的和用戶友好的。使用硬件接口，學生能夠通過連接所需的硬件模塊構建一個創新的嵌入式設備；使用軟件接口，學生可以方便地加載硬件模塊所需的軟件資源。

可升級性：實驗平臺設計應該模塊化和層次化，每一層為上一層提供上層接口，為下一層提供下層接口。每一層可獨立地進行擴展和升級，與相鄰層次的接口保持兼容。模型的中間層被設計為3層結構，這個靈感來自于Phidgets的設計，它能為實際設備的實現提供更多可能性。

靈活性：每個層次都能根據課程的重點而被加強或削弱，因此實驗內容可根據課程要求而變化。實驗課可被安排在兩層或更多層之上。基礎實驗要求學生建立一個基本的嵌入式系統，而在高級實驗中，學生能深入研究模型中的各個層，以實現創意設計。

篇（9）

嵌入式系統被定義為:以應用計算機為中心,以計算機技術為基礎,軟硬件可裁減適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統工業的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和應用的軟件產品開發。嵌入式系統包括兩部分內容:嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統。

由于嵌入式應用軟件的特殊性,往往要求應用程序設計者具有一定的實時操作系統的專門知識,能合理地劃分任務,合理地配置系統以及目標聯機的調試。

二、嵌入式系統設計的傳統方法

通常在單片機系統的開發應用中,是按照瀑布式開發流程進行的。其工作模式簡單,任務的劃分協調及人員安排、物質材料的分配管理都比較容易。開發過程為從硬件到軟件的流水線式進行,如圖1 所示。

傳統的嵌入式系統設計方法又不同于瀑布式開發過程,它是將開發任務分為硬件軟件兩個獨立的部分,由硬件工程師和軟件工程師按照擬定的設計流程分別完成。其開發過程為一種并行的工作方式,我們稱之為V模式開發過程。

傳統的嵌入式系統設計方法如圖2所示。

傳統的嵌入式系統開發采用的是軟件開發與硬件開發分離的方式。雖然也可改進硬件軟件性能,但由于這種改進是各自獨立進行的,不一定使系統綜合性能達到最佳。雖然在系統設計的初始階段考慮了軟硬件的接口問題,但由于軟、硬件分別開發,各自部分的修改和缺陷很容易導致系統集成出現錯誤。由于設計方法的限制,這些錯誤不但難于定位,而且更重要的是,對它們的修改往往會涉及整個軟件結構或硬件配置的改動。顯然,這是災難性的。

這種設計方法只能改善硬件、軟件各自的性能,而有限的設計空間不可能對系統做出較好的性能綜合優化。20 世紀90 年代初,國外有些學者提出“這種傳統的設計方法,只是早期計算機技術落后的產物,它不能求出適合于某個專用系統的最佳計算機應用系統的解”。因為,從理論上來說:每一個應用系統,都存在一個適合于該系統的硬件、軟件功能的最佳組合,如何從應用系統需求出發,依據一定的指導原則和分配算法對硬件、軟件功能進行分析及合理的劃分,從而使系統的整體性能、運行時間。能量損耗、存儲能量達到最佳狀態,己成為硬件、軟件協同設計的一個重要研究內容之一。

三、嵌入式系統協同設計技術

為了避免上述問題,一種新的開發方式應運而生―軟件、硬件協同設計方法。一個典型的硬件、軟件協同設計過程如圖3 所示。

首先,應用獨立于任何硬件和軟件的功能性規格方法對系統進行描述,然后,在此基礎上對硬件、軟件進行劃分。

這種方法的特點在協同設計、協同測試和協同驗證上,充分考慮了軟件、硬件的關系,并在設計的每個層次上給以測試驗證,使得盡早發現和解決問題,避免災難性錯誤的出現。

系統協同設計與傳統設計相比有兩個顯著的區別:

1.描述硬件和軟件使用統一的表示形式。

篇（10）

【文章摘要】

本文在針對當前嵌入式視頻監控系統發展的基礎上，介紹了一種基于ARM 的嵌入式視頻監控系統，并對系統的實現和嵌入式Linux 內核的編譯與移植等問題進行了詳細的分析和闡述。

【關鍵詞】

視頻監控；嵌入式；ARM

當前在我國的視頻監控市場當中主要包括兩種不同類型的監控系統，一類為數字控制的模擬視頻監控；另一類則為數字視頻監控。這兩類監控系統在技術方面都已經非常的成熟，性能也變得非常的穩定，并在實際的工程當中被廣泛的應用。而其中的數字監控系統是以計算機技術和圖像技術作為基礎，興起的一種新的視頻監控系統。該技術因為可有效的解決模擬系統的部分弊端而被廣泛的推廣和發展。目前，我國的視頻監控系統則正處在數值模擬和數字系統混合應用的轉變。

1 ARM 處理器

ARM 公司作為專門從事RISC 技術芯片設計的公司，主要為知識產品的提供商，并不直接從事對芯片的生產，而是將技術轉讓給許可的合作公司。各種不同的芯片被世界各大生產商購買，并從ARM 購買其設計的微處理器核，然后根據自己行業的特點，對外圍的電路進行設計，從而形成獨具特色的ARM 處理器芯片。ARM9 作為公司設計的一種類型的處理器，被廣泛的應用，其主要的原因在于該芯片其具有以下的特點：1) 具有5 級整數流水線, 指令執行效率高；2) 提供l.lMIPS/MHz 的哈弗結構；3) 支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb 指令集；4) 支持32 位的高速AMBA 總線接口；5) 全性能的MMU, 支持Windows CE、Linux 等多種主流嵌入式操作系統；6) 支持數據cache 和指令cache, 具有更高的指令和數據處理能力。

2 系統整體設計

結合視頻監控系統的實際需求，本文設計的系統的整體結構如圖1 所示。包括S3C2440 處理器、Flash 閃存、USB 接口、LCD 顯示器等組成。

3 系統主控芯片簡介

3.1 S3C2440 處理器

在該系統中選用三星公司生產的ARM9 內核的S3C2440 處理器。該處理器其典型的優點在于其最高的主頻可達到400MHz, 為同類ARM 處理器當中最快的設備。該處理器其是基于ARM920T 內核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器, 主要面向遠程監控終端、面向手持設備的高性價比和低功耗的應用。同時ARM920T 中， 其MMU 單元可以管理虛擬的內存，并擁有高速緩存獨立的16KB 地址和16KB 的數據高速Cache。

3.2 寄存器

在該主控芯片中，其包含37 個寄存器，其指令的數量不多，字長較大，并且其寄存器的數量也比較多。其中包括31 個32 為的通用的寄存器，6 個程序狀態的寄存器。

3.3 地址空間

在S3C2440 芯片的外部可以找到的存儲空間為1GB，其被分為8 個不同的存儲模塊，每個模塊的空間大小都為128MB，S3C2440 芯片其外部存儲空間主要存在著以下的特點：第一，其支持小端/ 大端的模式；第二，在系統的8 個外部存儲空間當中，其中的6 個主要用于ROM 和SRAM 存儲，其余的2 個可用于ROM、SRAM 和SDRAM 的存儲；第三，在8 個存儲空間中，其中的7 個為包含著固定的起始地址，而最后的一個起始地可以進行適當的調整，并且最后的2 個模塊空間的大小可編程；第四，所以存儲器塊的訪問可編程；第五，在其中的SDRAM 當中，其可以進行自主的刷新。

3.4 存儲器

存儲器作為系統整個開發的重點，其大多的應用程序等都放置在該存儲空間當中。本文主控芯片所采用的NAND Flash 具有容量大、價格低的特點。其在啟動的時候，存儲器上的前4KB 會被裝載到緩沖器當中，并執行對代碼的啟動。在啟動代碼后則將其復制到到SDRAM 中，組后主程序都全部在SDRAM 執行。

4 系統設計

4.1 存儲器設計

對存儲器的設計采用三星公司的K4S561632C，這是一款比較常用的SDRAM 存儲器，其時鐘的頻率則可以達到133MHz。其具體的電路圖設計如圖2 所示。

4.2 LCD 電路接口

S3C2440 芯片支持型號為TFT 型的LCD 的觸摸屏，其只需要在LCD 驅動板上根據其固定的標準從CPU 引出LCD 控制信號即刻進行使用。本文則主要采用的是LCD24 位，顯示時其RGB 則各位8 位。

4.3 網卡控制器

在本文中選擇DM9000 作為網卡，其主要原因在于該模塊為集成和符合成本效益的單芯片的快速以太網模塊。分別支持8 位,16 位和32 位接口訪問內部存儲器, 依次可以支持不同的處理器。同時， 在DM9000 網卡的物理協議層接口可支持10MBps 的3 類、4 類、5 類非屏蔽雙絞線和為100MBps 下的5 類非屏蔽雙絞線。

4.4 JTAG 接口

JTAG 技術作為嵌入式的一種調試技術，主要是在芯片的內部封裝一個專門的測試電路，通過其專用的JTAG 的測試工具，從而對系統內部的節點進行不同的測試。通過該JTAG 接口其可對芯片內部的所有的部件進行訪問，因此使得該技術成為一種對系統調試的高效的手段。本系統對NOR FLASH 的燒寫選用JTAG 進行, 對于NAND FLASH 的燒寫采用USB 進行。

5 結語

本文通過對ARM 和S3C2440 微處理器相關性能的了解，最后對存儲器、LCD 接口、網關控制等電路進行了設計，從而實現了視頻監控系統。

【參考文獻】

[1] 涂繼輝, 余厚全, 佘新平. 基于ARM 的視頻監控系統的設計與實現[J]. 長江大學學報( 自科科學版) 理工卷,2010,07(2).

[2] 紀波, 王輝, 張亞軍. 基于嵌入式Linux 的視頻監控系統的實現[J]. 電腦知識與技術,2011,07（8）

[3] 李浩. 基于嵌入式Limix 的視頻圖像采集系統設計[A]. 第二十屆全國測控、計量、儀器儀表學術年會論文集[C].2010.

[4] 葉琳, 邱龍輝. 基于ARM 的嵌入式手姿態跟蹤設備控制系統研究[J]. 新技術新工藝,2009,08:21- 23.

【作者簡介】

篇（11）

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2013）001-0074-03

1嵌入式系統

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機應用系統。一般嵌入式系統是非PC系統，主要由嵌入式微處理器、硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等4個部分組成，用于實現對其它設備的控制、監視或管理等功能。

2相關理論知識

2.1移動計算

移動計算是一種新型技術，使得計算機或其它信息設備，在沒有與固定的物理連接設備相連的情況下，能夠傳輸數據，并且能夠及時準確地與中央信息系統相交互，分擔中央信息系統的計算壓力，在用戶需要的任何時刻都可以得到相應的信息，比傳統的計算環境更為復雜和靈活。它既可以通過無線網絡、智能計算設備可以隨時進入主網絡；也可以在不同地點，將調制解調器和附近的電話相連接，通過電話網進入主網絡；移動用戶還在不同場地使用靜態計算機獲得相應的服務等。因此，根據移動計算所具有的特性，在嵌入式系統設計中移動計算是必不可少的。

2.2嵌入式移動數據庫

由于嵌入式系統本身具有的特點，利用傳統的數據庫技術已不能滿足當前系統的需求，因而，嵌入式數據庫技術這一名詞便應運而生。該技術的核心是移動計算，主要強調其移動性，傳統的PC機要在苛刻的環境下做到良好的移動是很困難的。為了很好地滿足對移動客戶端計算的要求，便將嵌入式數據庫技術應用到數據庫的研究與開參考文獻：