基于ARM的快速原型化平台的实现

1 背景介绍

在日益信息化的社会中，各种各样的嵌入式系统已经全面渗透到日常生活的每一个角落。嵌入式系统的功能越来越复杂，这就使得一个嵌入式系统产品从市场需求立项到方案选择、样机研制、定型量产所需要的开发费用越来越多，所需开发时间越来越长。因此，高效的嵌入式系统设计方法就显得尤为重要。

1.1 传统的嵌入式系统设计方法

嵌入式系统开发的关键就是对核心部分进行功能验证。传统的验证方法是建模模拟和制作目标板评估。

通过建模来进行功能验证存在不足。首先就是耗时和准确性互相矛盾。建立高层次的模型需要的时间短，但是模拟不够准确。相反，低层次的模型可以达到满意的评估效果，但是建模耗时长。其次，建模模拟是静态的过程，不能很好地反映系统实际运行的情况。好的目标板，各部分连接已经固定。如果需要改动部分连接，只能重新设计制版。这样一来就会大大延长产品的上市时间，还会增加开发费用。新推出的嵌入式系统产品，开始设计时比较难把所有的技术细节考虑清楚，有时甚至是边设计边修改性能指标，因此直接制作专用的目标板原型已经不太适合复杂的嵌入式系统产品的设计。

1.2 嵌入式系统模块化设计方法

嵌入式系统设计要求做到可测性、高效性和灵活性。目前，嵌入式系统物理尺寸越来越小，功能越来越复杂。为了方便调试、维护系统，完全可测显得极为重要。另一方面，模块化的设计方法越来越引起人们的关注。模块化设计方法将复杂的系统合理地划分出不同的功能模块，然后充分利用已有的模块，设计新的模块，最后将这些模块连接起来组成目标系统。模块化的设计方法减少全新的设计、降低开发难度、节省开发成本、缩短开发时间，是一种高效的嵌入式系统设计方法。另外，各个模块连接的灵活性是非常重要的，它直接决定模块的组合能力。

2 基于ARM核的快速原型化平台

嵌入式系统硬件有如下特点：

1、嵌入式硬件以嵌入式处理器为核心。嵌入式处理器的种类众多，功能各异。

2、相对嵌入式处理器，嵌入式系统外设的种类较少，接口标准也比较统一。

3、随着EDA的发展，SOC（system on chip）的应用越来越广泛。

2.1 ARM核处理器的特点

ARM核处理器因为其低成本、低功耗、高性能的优点广泛应用于嵌入式系统。基于ARM核处理器是高度集成的SOC，包括ARM核和各种各样的外设。图1是基于ARM核处理器的常见结构。存储器控制接口为外接存储器提供了总线接口。该总线接口支持不同种类的存储器芯片以及不同的存储操作。此外，还可以用该总线来扩展外设。片内外设包括中断控制器、OS定时器、UART、I2C、PWM和AC97等等。在这些片内外设中，有些信号是复用的，这样做的好处是方便用户使用。用户如需要片内外设，只需要配置相关的寄存把片内外设连接到通用I/O即可，非常灵活，例如USB接口的服务器／客户端。有些片内外设有专用的信号。用户通过连接或者扩展这些通用I/O和专用I/O来使用片内外设。当片内外设不能完成目标系统的功能时，需要通过总线来扩展特殊的外设芯片。

图1（ARM核处理器框图）

图2 （ARM核处理器的嵌入式系统的框图）

2.2 基于ARM的快速原型化平台的实现

图2是基于ARM核处理器的嵌入式系统的框图。该系统分成两个部分，一部分是最小系统，由嵌入式ARM核处理器和存储器组成；另外一部分包括从嵌入式处理器片内外设接口直接扩展的外设和通过总线扩展的外设。为了充分利用模块化设计方法，这些部分应该能够通过灵活的互连组成一个平台。灵活的互连功能由互连模块完成。

可编程器件如CPLD和FPGA，可以在系统编程，修改连接只需要修改相应的控制程序即可，非常方便灵活。CPLD成本低，运行速度快，但是集成度比较低。FPGA集成度高，可以实现CPLD很难实现的复杂的逻辑功能，例如内嵌逻辑分析仪程序，获取必要的信号，完成系统在线测试。FPGA另外一个优势就是可以动态配置，例如系统上电时配置自检程序，自检通过后再配置实际工作的程序。最后，在FPGA里面嵌入CPU软核，进行SOC的开发。所以可编程互连模块选用FPGA来组成。

为了确定可编程互连模块的插入位置，再来分析图2嵌入式系统的结构。

最小系统决定了整个系统的处理能力，是整个系统的核心。常用的嵌入式处理器的时钟周期已经高达400MHz，并且会进一步发展。连接处理器的总线速度和存储器芯片的速度也超过了100MHz。FPGA引脚到引脚的延时是几个纳秒的数量级，所以FPGA模块的插入会降低整个系统的处理速度。故在处理器和存储器之间不能插入FPGA模块。外设可以使得嵌入式系统和实际应用环境进行通信和交互操作。通常外