嵌入式應用系統設計 節選

    近幾年嵌入式系統應用技術發展迅速，基于嵌入式系統的產品在各個
  領域都得到了廣泛應用。本書在講述嵌入式系統基礎知識和應用系統設計
  技術的同時，重點講述應用系統設計方法及調試工具。
    編者在編寫教材的過程中，始終遵循“寬淺新用”和“精講多練”的
  原則，結合多年的教學和實踐經驗，同時結合嵌入式應用系統設計的實用
  技術，力求使教材內容精練、概念清晰。本書的主要特色是實例講解與實
  驗操作互相融合、滲透和促進。結合實例與實驗，本書分別介紹了開發環
  境、程序設計、接口技術、系統設計技術及相關調試工具的應用。教材中
  實驗的軟硬件環境具有普遍性，方便組織實驗教學；教材內容深入淺出、
  通俗易懂，有利于培養學生的學習興趣，同時便于自學。
    本書系統地介紹了嵌入式系統設計的理論、技術和應用。全書共分7章：
  第1章概述，第2章ARM微處理器基礎，第3章ARM指令系統與編程
  基礎，第4章嵌入式應用系統的設計，第5章嵌入式應用系統的擴展接
  口電路，第6章嵌入式ucLinu)及其應用開發，第7章綜合舉例。本書重
  點介紹嵌入式系統的技術應用，注重學生開發嵌入式系統的技術和應用能
  力的培養。本書在相應章節配有實驗指導，教師可結合本校實驗室的條件
  安排實驗，這樣既有利于教師教學，又有利于學生實踐能力的培養。
    本書由葛紉秋教授、韓宇龍老師擔任主編，對全書進行構思與編寫。
  李衛國、雷挺、王霞、潘皓收集、整理資料與應用實例，進行綜合設計與
  實驗驗證。張延華教授擔任了本書的主審，對全書的編寫提出了不少寶貴
  意見。在此對他們的辛勤勞動深表感謝。
    在本書的編寫過程中，編者參閱了大量的與嵌入式系統領域相關的書
 籍和文獻，在此對這些文章的作者表示感謝。由于嵌入式技術和應用發展
迅速，而且編者水平有限，書中難免有疏漏不妥之處，尚祈專家和讀者不
吝指正。
    編者
    2007年8月

第4章
嵌入式應用系統的設計
    本章主要論嵌入式硬件部分的基本設計方法。設計一個完整的嵌入式
系統，應該同時考慮硬件和軟件兩個方面，特別是在方案的制定階段，在考
慮用什么樣的元器件搭建電路的同時，就要有針對性地考慮和什么樣的軟件
配套使用的問題。有時首先要明確的是必須要用什么樣的操作系統，操作系
統中要使用什么樣的文件系統等。這些因素往往會限制或縮小元器件的選擇
范圍。
    但一開始就讓嵌入式系統設計的初學者同時考慮軟硬件兩個方面的問題，
會使事情變得很復雜，也不容易講明白。現在只講述一個基本的通用的嵌入式
硬件平臺如何搭建的問題，至于平臺上要跑什么樣的操作系統，必須要達到怎
樣的實時響應速度等實用系統設計中必須要量化考慮的指標要求，目前還不屬
于要講述的主要內容。
    本章通過介紹一個基于S3C4480x的基本硬件系統的設計步驟、實現細節
和調試方法等幾個方面的內容，為閱讀者設計自己的嵌入式硬件系統起一個拋
磚引玉的作用。不同的嵌入式系統，在設計思路和考慮問題的角度上都會有許
多共同之處。特別是作為其核心部分的*小系統，在設計思路和考慮問題的角
度上都不會有太本質的區別，希望通過本章的學習能切實提升讀者設計嵌入式
應用系統的能力。
    本章的主要內容包括：
    ①嵌入式硬件系統設計的基本原則和思路。
 ②S3C4480X微處理器及其基本工作原理。
③基于s3c4480x的基本硬件系統的設計。
④硬件系統的調試。
4．1  嵌入式硬件系統設計概述
    分析用戶對嵌入式系統的特定需求，把需求轉化成特定的嵌入式應用系統
的設計方案，是每一個嵌入式系統設計工程師首先要具備的能力。方案的確定
和產品的應用領域有關，同時也跟具體產品的主要消費對象和功能定位有關，
方案*后必須細化到用什么型號的芯片、芯片的級別、芯片的封裝、產品的尺
寸厚度等，也就是說，設計的*終方案必須落實到物理可實現的元器件上。
    其中，成本是一個必須考慮的因素，特別是面向大眾的消費類產品，產品
設計提出的初衷可能就是要制造一款和競爭對手的產品性能相當但價格必須具
有明顯優勢的嵌入式產品，這種產品成本的控制在方案論證階段就要著手考慮。
    其次，產品允許的開發周期也是決定設計方案的一個很重要的因素，因為
產品上市早可能就意味著搶占到了商機，一個總是抓不住商機的企業遲早是生
存不下去的。現在企業之間的競爭都非常激烈，企業給產品設計部門的開發周
期一般都不會太長，這時在前期進行方案設計時就必須考慮盡可能使用成熟的
設計，盡可能使用熟悉的元器件，盡可能使用熟悉的開發環境和測試手段等；
而不是市面上什么器件*新就用什么，什么器件性能*卓越就用什么，什么開
發工具功能*復雜就用什么開發工具，什么技術*時髦、炒的*熱就用什么技
術，因為這樣一方面可能會增加開發成本，降低*終產品的競爭力，另一方面
可能還會增加開發的風險。
    此外，方案設計時還應該考慮產品*終的應用環境，在極端惡劣的環境中
長期進行工作的產品必須有必要的保障措施。還要考慮產品的故障率的要求：
民品購買以后2、3年內出了點小故障，然后廠家很快就把故障解決了，對此大
多數人可能是可以接受的。但如果產品*終是要放在衛星里發射到天上，要求
持續不間斷工作的，而且衛星設計的使用壽命是20年，那么衛星里的每一個嵌
入式系統組件就必須要求20年內出任何故障的可能性為零才可以。如果其中的
一個小模塊在衛星發射后一年就壞掉而又無法自修復，從而導致整個衛星系統
都不能正常工作，研制發射一顆衛星的多少個億的投入就因為一個價值才幾千
或者幾萬塊錢的小模塊打了水漂，對此任何人都是不可能接受的。
    還有，器件的大小和高度也必須要考慮。例如現在市面上流行的超薄手機，
它的外形尺寸就非常小，去除外殼的尺寸及電路板本身的厚度，還有安裝和散
熱的空間等，留給器件的允許尺寸就非常有限，這時就需要專門定制自己的
SOC芯片。因為在這種情況下，市面上任何一款通用的芯片無論其功能是否夠
用，首先在物理高度上就不符合要求。
    現在給這一章要設計的嵌入式硬件系統平臺假設這樣一個應用背景和要求：
    ①要開發的硬件系統平臺主要滿足嵌入式基礎實踐教學的需要。
    ②硬件平臺可以作為獨立的、硬件配置又比較齊備的基礎開發板使用。
    ③CPU選用ARM7系列，外擴存儲器可以保證完成基本嵌入式Linux操
作系統外加中等規模的應用程序的燒寫和下載。
    ④嵌入式開發板要兼容某個已經定義好的擴展總線標準。
    如果接到如上所述的一個設計任務，該怎么考慮?
    首先，先參考已有的ARM7嵌入式開發板都是怎么做的，思考它們這樣設
計的原因和好處以及不足。如果有條件，*好買一、兩塊不同的開發板回來使
用一下，對比總結它們各自的優、缺點。
    這樣做是因為對于嵌入式設計的初學者或者剛工作的從事嵌入式應用開發
的本科生、碩士生，基本上不可能直接接受一個從來都沒有人做過的、采用完
全新的思路和方案來設計新產品的任務，而是一般需要借鑒已有的成果和思路：
完全相同的產品難找，但相似或相近的產品很可能會有，其中至少有部分思路
是可以借鑒的。這些資料可能是一篇論文，可能是論壇里簡簡單單的幾句話，
也可能直接就能見到實物。
    通過調研、借鑒已有的成果可以吸取其好的經驗，又可以避免其不足之處，
還可以加快自己設計方案的進程。所以這是接手做一個具體的任務時首先要做
的一項工作。
    其次，作為教學使用的實驗平臺，對環境的要求并不高，保證在常溫范圍
內元器件可以正常工作就可以，同時希望平臺的成本盡可能低，這樣選用民用
級的芯片就可以。如果用到電阻、電容等元件，選用普通的精度和誤差范圍就
能滿足要求；存儲器與CPU之間的數據傳輸速率也不需要高性能。
    國內很多用于教學的ARM7開發板都選用Samsung的S3C4480x作為主要
的微處理器。從數據手冊上看，這是一款通用的嵌入式微處理器，它的功能模
塊比較豐富，可以滿足嵌入式教學的基本要求，價格相對來說也比較低。另外，
國內已經有很多基于S3C4480x的嵌入式教材，選用這款芯片學習時可供參考
的資料就比較多一些。從這幾個方面考慮，使用這一款芯片作為主控制芯片。
    為了學生操作和使用方便，開發板不需要做得很小。為了以后故障檢測等
方便，芯片一般選用封裝比較大的貼片形式就可以。貼片的阻容也選用0805
這樣稍大點的封裝，便于焊接也便于拆除。