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嵌入式開發概念、物聯網開發平臺及應用領域

來源: | 2021-09-29

嵌入式開發就是指在嵌入式操作系統下進行開發,包括在系統化設計指導下的硬件和軟件以及綜合研發。除暫且分離硬件的EDA研發以外,側重的就是在一定硬件條件下的系統化設計和軟件研發。


一、嵌入式開發的定義
嵌入式開發是指利用分立元件或集成器件進行電路設計、結構設計,再進行軟件編程(通常是高級語言),實驗,經過多輪修改設計、制作,最終完成整個系統的開發。這種嵌入式開發,適用于未來產品比較單一,產量比較大,產品開發周期比較長,成本控制比較嚴格的系統。

嵌入式技術不是單純的軟件技術,也不是單純的硬件技術,是一門如何在一個特定的硬件環境上開發與構建特定的可編程軟件系統的綜合技術。嵌入式技術是在嵌入式系統的發展中應運而生的,它是依附于嵌入式系統,并推動嵌入式系統不斷向前發展的核心動力。嵌入式是一種專用的計算機系統,作為裝置或設備的一部分。通常,嵌入式系統是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上,所有帶有數字接口的設備,如手表、微波爐、錄像機、汽車等,都使用嵌入式系統,有些嵌入式系統還包含操作系統,但大多數嵌入式系統都是是由單個程序實現整個控制邏輯。嵌入式技術近年來得到了飛速的發展,但是嵌入式產業涉及的領域非常廣泛,彼此之間的特點也相當明顯。例如,很多行業:手機、PDA、車載導航、工控、軍工、多媒體終端、網關、數字電視等。

二、主流的嵌入式開發平臺
主流的嵌入式平臺有三種:ARM平臺、DSP平臺和FPGA平臺。
1、ARM
ARM微處理器是由ARM公司提供IP(Intellectual Property,知識產權)授權,交付多個芯片設計廠商整合生產的。在2007年,意法半導體(ST)公司成為第一個引入ARM Cortex-M授權的半導體廠商,開啟了高性能、低成本、低功耗的ARM嵌入式芯片新時代,其生產的STM32系列微處理器是最流行的Cortex-M微處理器。ARM嵌入式系統廣泛應用于自動檢測與控制、智能儀器儀表、機電一體化設備、汽車電子及日常消費電子產品中,其優越的性能和完善的開發環境得到廣大電子工程師的青睞。
2、DSP平臺
嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP),是專門用于信號處理方面的處理器,其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計,芯片內部采用程序和數據分開存儲及傳輸的哈佛結構,具有專門硬件乘法器,采用流水線操作,提供特殊的DSP指令,可用來快速地實現各種數字信號處理算法,具有很高的編譯效率和指令的執行速度,在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上獲得了大規模的應用。
3、FPGA平臺
隨著平臺級FPGA產品的出現和EDA設計工具軟件的不斷發展,利用現有的FPGA和EDA工具,人們也可以很方便地在FPGA中嵌入RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集)處理器內核、DSP算法、存儲器、專用ASIC模塊、其它數字IP Core以及用戶定制邏輯等,構建成一個可編程的片上系統(SOPC),把原來需要在PCB上采用處理器、DSP、若干ASIC芯片才能實現的功能全都集成到了單片FPGA上。
FPGA內部嵌入了豐富的乘法器(DSP)資源、高速收發器(GTP/GTX)資源、以太網MAC資源、嵌入式處理器(Power PC)資源、時鐘及鎖相環資源、存儲器(BRAM)資源等,甚至在Xilinx公司最新推出的Zynq-7000系列芯片之中嵌入了ARM資源,將傳統的FPGA演變成了ARM+FPGA的擴展開發平臺。這些嵌入的硬件資源極大地增強了傳統FPGA的功能,提升了FPGA的工作效率和靈活性,使得一塊FPGA平臺就可適用于多種產品,進行各種擴展。開發者只需要掌握Verilog HDL等硬件描述語言和嵌入式系統開發的相關知識,就可對整個系統進行編程和控制。


三、嵌入式開發的硬件環境需求
(1)嵌入式處理器:MPU、DSP。
(2)存儲器系統:Flash+RAM+MEM card+mini HD。
嵌入式系統有別于一般的通用計算機系統,它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質,而用靜態易失型存儲器(RAM、SRAM)、動態存儲器(DRAM)和非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)作為存儲介質,其中FLASH憑借其可擦寫次數多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優點,在嵌入式領域內得到了廣泛應用。
(3)輸入設備:鍵盤,視/音頻輸入,A/D。
(4)輸出設備:顯示(LED/LCD/OLED)裝置,視/音頻輸出,A/D。
(5)通訊接口:Ehternet(802.3),WIFI(802.11)。
(6)總線接口:RS232/RS485,USB,1394(Firewire)。
(7)電源管理:待機、休眠、功耗管理等。
嵌入式開發的硬件平臺選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在具體應用中處理器的選擇決定了其市場競爭力。在一個系統中使用什么樣的嵌入式處理器主要取決于應用領域、用戶的需求、成本、開發的難易程度等因素。在開發過程中,選擇最適用的硬件平臺是一項很復雜的工作,包括要考慮其他工程的影響以及缺乏完整或準確的信息等。

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