嵌入式系统开发要素的选择分析

摘要：主要讨论在嵌入式系统开发中，设计人员如何考虑和选择嵌入式处理器、嵌入式操作系统、调试器、仿真器以及开发人员的技术水平和结构比例等组成要素；同时，以实例说明如何选择这些开发要素。
    关键词：嵌入式系统 嵌入式处理器 实时操作系统 仿真器 调试器
引 言
　　在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统开发技术也取得迅速发展。这不仅表现在从事嵌入式系统开发研究的人员队伍日益壮大，嵌入式处理器和实时操作系统的性能增强和产品升级换代，更重要的体现在嵌入式技术应用范围的急剧扩大。
　　嵌入式系统拥有巨大的市场空间，我国应该抓住机遇，与时俱进，奋起直追，在嵌入式系统领域赶超世界先进水平。要达到这个目标，具有一定的现实可行性，这是因为同PC机系统相比，嵌入式系统更有自身的特征。在PC领域，虽有AMD系列处理器和LINUX操作系统的市场冲击，但是Win_Tel（Windows+Intel）体系架构仍占主导地位；可是，嵌入式系统本身是一个相当分散的工业，典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用才是嵌入式系统开发的导向和前提，在当前的嵌入式市场中不存在垄断的局面。
　　嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口（API），向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。
　　对于不同的市场应用类型，嵌入式系统开发中的嵌入式处理器、实时操作系统、仿真器、调试器以及开发队伍的技术水平和结构比例等要素的选择是至关重要的。本文参考一些嵌入式系统开发的资料，结合具体的工程实践经验，系统总结了进行嵌入式系统开发时，如何全面考虑各开发要素并进行选择，最后结合一个具体实例进行详细阐述。
1 嵌入式处理器
　　嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统的应用软件与硬件一体化。在嵌入式系统的硬件设备中，嵌入处理器是整个系统的核心部件，其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。
　　PC机销售市场中，随着通用CPU技术的突破和工作频率的倍增，旧款低档CPU早已经不见踪迹。嵌入式系统开发面向具体应用，不同领域的应用市场需要不同款式和性能指标的处理器来开发，于是在嵌入式处理器市场中，中低端的4位、8位和16位处理器依然存在，高性能的32位处理器也有很多产品。随着超大规模集成电路技术和微电子技术发展，包含嵌入式处理器以及部分外围电路的微控制器产品也进入市场，片上系统SoC（System on Chip）产品也开始出现。这些产品的上市，不仅丰富了嵌入式处理器产品，而且也更加方便了工程技术人员进行嵌入式系统的技术开发和扩大嵌入式产品的应用领域。
　　由于嵌入式系统应用需求的多样性，市场上基于RISC结构的嵌入式处理器提供商也日渐增多。统计数字表明，1999年底市场销售额排在前三位的公司分别是ARM、Motorola和MIPS，其中ARM公司的芯片销售量达1.5亿个，市场份额超过50%。
　　面对这样的嵌入式处理器市场，开发设计人员应该如何选择呢？这里有两个前提条件。
　　一是深入研究具体的嵌入式系统应用需求，充分的应用需求分析后获取应用系统的性能指标。面向应用是嵌入式系统的特色，具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型。在工业控制等特殊领域，系统需求分析员不仅需要和工作人员、上级主管亲自面谈，而且要到工作现场获取第一手信息，收集充分的资料。应用需求分析后，需要定义产品具备的基本功能和性能指标，如系统处理的数据量大小和处理实时性要求、系统正常运行时的工作环境、系统运行过程中可能遇到的突发事件、系统的尺寸大小和功耗指标等。
　　第二个前提条件是，分析研究市场上各大厂商提供的各款嵌入式处理器的性能指标，如功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等。这些参数也是各个半导体芯片厂商之间竞争的热点。
　　开发人员通过应用需求分析获取了产品的功能性和非功能性指标，研究了市场上嵌入式处理器的性能参数后，能够对嵌入式处理器作出较好的选择。嵌入式处理器选择的基本原则是满足具体功能性和非功能性指标需求的、市场应用反应良好的、硬件配置最少的嵌入式处理器。如简单的智能仪器仪表设计考虑使用4位或者8位低档单片机8051；和数字信号处理密切相关的选用TI公司的TMX320x系列的DSP（数字信号处理）芯片；如果产品偏重于通信功能，考虑Motorola公司的嵌入式处理器68K系列；如果产品功能比较齐全，可选用嵌入式处理器领域的后起之秀ARM公司的高性能嵌入式处理器ARM芯片系列等。
　　除了上述的产品性能需求因素，选择嵌入式处理器时也需要考虑开发人员对此系列处理器的熟悉程度。因为不同公司开发的嵌入式处理器差别较大，从一类处理器转移到另一类处理器的难度比同一系列不同处理器间的转移难度大得多，风险多得多。

应用实例解析
　　在详细讨论了嵌入式系统开发中的几个关键因素后，下面具体阐述这些因素在工作中的具体体现。图2是个人数字助理PDA和寻呼机二合一的手持式电子产品结构图。
　　该产品的基本功能包括：
　　① 个人数字助理--科学计算器、英汉互译辞典、电话号码簿、记事日程表等；
　　② 交通信息--列车时刻表的车次查询和车站查询、民航时刻表的航班查询等；
　　③ 寻呼信息--接收个人和公共寻呼信息，个人寻呼内容实时语音合成并播放，寻呼方式更新列车和民航时刻表数据等。
　　分析产品功能结构图并结合产品的基本功能，可以获得产品对嵌入式处理器的性能要求：高速嵌入式处理器处理列车和民航时刻表查询、个人寻呼内容的实时语音合成并播放等。处理器外围需要自带语音录放电路完成语音录入和播放，串行口和红外通信口进行数据通信，LCD接口电路提供用户输入接口，也需要电源管理模块完成便携式电子产品的低功耗设计。
　　
　　本文详细阐述了在嵌入式系统开发中嵌入式处理器、嵌入式操作系统、调试器、仿真器以及开发人员的技术水平和结构比例等组成要素的选择原则，并且使用一个具体的实例来进一步分析说明。需要指出的是，这些要素之间不是彼此独立，而是紧密相关，可能还会在某些方面相互冲突。