本文從工程的角度就嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中硬件和軟件的選擇問題進(jìn)行了一些討論，并給出了在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行軟硬件選擇時(shí)應(yīng)該考慮的因素。一、問題的提出
按照嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以粗略的分成三個(gè)階段，即：分析，設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)。分析階段的主要任務(wù)是確定要解決的問題及需要完成的目標(biāo)。因此，分析階段也常常被稱為“需求階段”，或“系統(tǒng)需求階段”。設(shè)計(jì)階段主要任務(wù)是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求。此階段是在分析階段的基礎(chǔ)上研究“如何做”。實(shí)現(xiàn)階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行整個(gè)軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。按照這種設(shè)計(jì)思想，在分析階段階段結(jié)束后，通常開發(fā)者面臨的一個(gè)棘手的問題就是硬件和軟件的選擇，因?yàn)樗暮脡闹苯佑绊懼鴮?shí)現(xiàn)階段的任務(wù)完成。通常硬件和軟件的選擇有：
1．處理器
2．硬件部件
3．操作系統(tǒng)
4．編程語言
5．軟件開發(fā)工具
6．硬件調(diào)試工具
7．軟件組件
在上述選擇中，通常，處理器是最重要的，同時(shí)操作系統(tǒng)或編程語言也是非常關(guān)鍵的。而且有時(shí)處理器的選擇會限制操作系統(tǒng)的選擇，操作系統(tǒng)的選擇又會限制開發(fā)工具的選擇。因此本文就如何在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇硬件和軟件進(jìn)行了一些評判因素的分析。
二、硬件的選擇
（一）嵌入式處理器的選擇
嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列。但與全球PC市場不同的是沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)，僅以32位的CPU而言，就有100種以上嵌入式微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異性極大，因此選擇是多樣化的。設(shè)計(jì)者在選擇處理器時(shí)要考慮的主要因素有：
1．調(diào)查上市的CPU供應(yīng)商。有些公司如Motorola、 Intel、AMD很有名氣，而有一些小的公司如QED（Santa Clara .CA）雖然名氣很小，但也生產(chǎn)很優(yōu)秀的微處理器。另外，有一些公司，如ARM、MIPS等，只設(shè)計(jì)但并不生產(chǎn)CPU，他們把生產(chǎn)權(quán)授予世界各地的半導(dǎo)體制造商。ARM是另外一種近年來在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器制造商，ARM的設(shè)計(jì)非常適合于小的電源供電系統(tǒng)。Apple在Newton 手持計(jì)算機(jī)中使用ARM，另外有幾款數(shù)字無線電話也在使用ARM。
2．處理器的處理速度。一個(gè)處理器的性能取決于多個(gè)方面的因素：時(shí)鐘頻率，內(nèi)部寄存器的大小，指令是否對等處理所有的寄存器等。對于許多需用處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，目標(biāo)不是在于挑選速度最快的處理器，而是在于選取能夠完成作業(yè)的處理器和I／O子系統(tǒng)。如果你的設(shè)計(jì)是面向高性能的應(yīng)用，那么建議你考慮某些新的處理器，其價(jià)格極為低 廉，如IBM和Motorola 的Power PC。以前Intel 的 i960是銷售極好的RISC高性能芯片，但 是最近幾年卻遇到強(qiáng)勁的對手，讓位于MIPS、SH以及后起之星ARM。
3．技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前，許多嵌入式處理器都集成了外圍設(shè)備的功能，從而減少了芯片的數(shù)量，進(jìn)而降低了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用。開發(fā)人員首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無需過多的膠合邏輯（GL）就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器，內(nèi)存管理器，中斷控制器，串行設(shè)備、時(shí)鐘等的配套。值得注意的是，AMD公司最近發(fā)布了一種Am186CC的通信用處理器，內(nèi)置采用國人熟悉的X86內(nèi)核和四路 HDLC和一個(gè) USB外圍控制器。，該處理器適合于多種通信應(yīng)用領(lǐng)域，包括：ISDN終端適配器、低端路由器、數(shù)字專線（xDSL）MODEM、USB外圍設(shè)備、PBX 應(yīng)用、數(shù)字電話、數(shù)字環(huán)路載波以及電話系統(tǒng)。
4．處理器的低工耗。嵌入式微處理器最大并且增長最快的市場是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機(jī)、GPS導(dǎo)航器、智能家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，這些產(chǎn)品中選購的微處理器典型的特點(diǎn)是要求高性能、低工耗。許多CPU生產(chǎn)廠家已經(jīng)進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域。今天，用戶可以買到一顆嵌入式的微處理器 ，其速度像筆記本中的 Pentium一樣快，而它僅使用普通電池供電，并且價(jià)格不足50美元。 典型的例子有NEC、日立為HPC、Palm PC而設(shè)計(jì)的 VR4111和SH7707。Digital的 Strong ARM 1100，在一個(gè)極小的200MHz主頻封裝中集成了彩色LCD控制器、 PCMCIA觸屏接 口等6個(gè)接口（含USB、IRDA），而批量的價(jià)格也在40美元以內(nèi)。
5．處理器的軟件支持工具。僅有一個(gè)處理器，沒有較好的軟件開發(fā)工具的支持，也是不行的，因此選擇合適的軟件開發(fā)工具對系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會起到很好的作用。
6．處理器是否內(nèi)置調(diào)試工具。處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具可以大大大的縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。
7．處理器供應(yīng)商是否提供評估板。許多處理器供應(yīng)商可以提供評估板來驗(yàn)證你的理論是否正確，驗(yàn)證你的決策是否得當(dāng)。
（二）硬件平臺的選擇
1．規(guī)模。打算做一套?多套？還是規(guī)模生產(chǎn)？如果你的規(guī)模比較大，這時(shí)可以自己設(shè)計(jì)和制備硬件，這樣可以降低成本。反之，最好從第三方購買主板和I/O板卡。
2．目標(biāo)市場的機(jī)會。如果想使產(chǎn)品盡快發(fā)售，以獲得競爭力，此時(shí)要盡可能買成熟的硬件，反之，可以自己設(shè)計(jì)硬件，降低成本。
3．軟件對硬件的依賴性。是否軟件可以在硬件沒有到位的時(shí)候先行開發(fā)。
三、軟件的選擇
（一）操作系統(tǒng)的選擇
盡管嵌入式系統(tǒng)有著無比廣闊的市場需求和發(fā)展前景，但嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展多年來卻經(jīng)歷了一個(gè)曲折和痛苦的歷程。隨著微處理器的產(chǎn)生，價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧的CPU和外設(shè)連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構(gòu)，那么限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸就突出表現(xiàn)在了軟件方面。從八十年代末開始，陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)，比較著名的有Tornado/VxWorkx、pSOSystem、Neculeus和Windowss CE、QNX、VRTX，以及沸沸揚(yáng)揚(yáng)的 “女媧計(jì)劃”，中國人自己的嵌入式操作系統(tǒng)HOPEN和現(xiàn)在談?wù)撟疃嗟那度胧絃inux操作系統(tǒng)等等。可用于嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的操作系統(tǒng)很多，但關(guān)鍵是如何選擇一個(gè)適合你所開發(fā)項(xiàng)目的操作系統(tǒng)，我們認(rèn)為應(yīng)該從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮：
1．操作系統(tǒng)提供那些開發(fā)工具。有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）只支持該系統(tǒng)拱應(yīng)商的開發(fā)工具。也就是說，還必須向操作系統(tǒng)供應(yīng)商獲取編譯器、調(diào)試器等。而有些操作系統(tǒng)使用廣泛且有第三方工具可用，因此，選擇的余地比較大。如PSOSystem支持的工具有：pRISM+，全集成開發(fā)環(huán)境，含源代碼調(diào)試器（SpOTLIGHT），C/C++ 編譯器（e g Diab），匯編器，連接器，C/C++ 開發(fā)環(huán)境（SNiFF+），嵌入式系統(tǒng)監(jiān)視工具（Esp），CORBA等。而Tornado/VxWorkx支持的工具有：遠(yuǎn)程源級調(diào)試器；瀏覽器；WindSh 命令行接口；模塊載入器；目標(biāo)工具；WindConfig 板基支持包配置；大約90個(gè)第三方嵌入式開發(fā)工具和擴(kuò)展。
2．操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度。操作系統(tǒng)到硬件的移植是一個(gè)重要的問題。它是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否按期完工的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此我們要選擇那些可移植性程度高的操作系統(tǒng)。從而避免操作系統(tǒng)難以向硬件移植而帶來的種種困難，加速系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。
3．操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求。均衡考慮是否需要額外花錢去購買RAM或EEPROM來迎合操作系統(tǒng)對內(nèi)存的較大要求。有些操作系統(tǒng)對內(nèi)存的要求是 target dependent。如Tornado/VxWorkx，開發(fā)人員能按照應(yīng)用需求分配所需的資源，而不是為操作系統(tǒng)分配資源。從需要幾K字節(jié)存儲區(qū)的嵌入設(shè)計(jì)到需求更多的操作系統(tǒng)功能的復(fù)雜的高端實(shí)時(shí)應(yīng)用， 開發(fā)人員可任意選擇多達(dá)80種不同的配置。
4．開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API。
5．操作系統(tǒng)是否有提供硬件的驅(qū)動程序，如網(wǎng)卡等。
6．操作系統(tǒng)是否具有可剪裁性，即能否根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行系統(tǒng)功能的剪裁。有些操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks等等。
7．操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性分為：軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)。有些嵌入式操作系統(tǒng)只能提供軟實(shí)時(shí)，如WindowsCE。作為微軟大名鼎鼎的“維那斯”，Microsoft Windows CE 2.0 是32位，，Windows兼容，小內(nèi)核，可伸縮實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足大部分嵌入式和非嵌入式應(yīng)用的需要。但不夠?qū)崟r(shí)，屬于軟實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。
（二）編程語言的選擇
1．通用性。隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能越來越具體，種類越來越多，但不同種類的微處理器都有自己專用的匯編語言。這就為系統(tǒng)開發(fā)者設(shè)置了一個(gè)巨大的障礙，使得系統(tǒng)編程更加困難，軟件重用無法實(shí)現(xiàn)，而高級語言一般和具體機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系較少，比較流行的高級語言對多數(shù)微處理器都有良好的支持，通用性較好
2．可移植性程度。由于匯編語言和具體的微處理器密切相關(guān)，為某個(gè)微處理器設(shè)計(jì)的程序不能直接移植到另一個(gè)不同種類的微處理器上使用，因此，移植性差；而高級語言對所有微處理器都是通用的，因此，程序可以在不同的微處理器上運(yùn)行，可移植性較好。這是實(shí)現(xiàn)軟件重用的基礎(chǔ)。
3．執(zhí)行效率。一般來說，越是高級的語言，其編譯器和開銷就越大，應(yīng)用程序也就越大、越慢。但單純依靠低級語言，如匯編語言來進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，帶來的問題是編程復(fù)雜、開發(fā)周期長。因此存在一個(gè)開發(fā)時(shí)間和運(yùn)行性能間的權(quán)衡。
4．可維護(hù)性。低級語言如匯編語言，可維護(hù)性不高。高級語言程序往往是模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間的接口是固定的。因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，可以很快地將問題定位到某個(gè)模塊內(nèi)，并盡快得到解決。另外，模塊化設(shè)計(jì)也便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和升級。
5．基本性能。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的語言種類很多，比較廣泛應(yīng)用的高級語言有：Ada、C/C++、Modula-2和JAVA等。 Ada語言定義嚴(yán)格，易讀易懂，有較豐富的庫程序支持，目前在國防、航空、航天等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，未來仍將在這些領(lǐng)域占有重要地位。C語言具有廣泛的庫程序支持，目前在嵌入式系統(tǒng)中是應(yīng)用最廣泛的編程語言，在將來很長一段時(shí)間內(nèi)仍將在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域占重要地位。C++是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，目前在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)也得到了廣泛的應(yīng)用，如GNU C++。Visual C++，是一種集成開發(fā)環(huán)境，支持可視化編程，廣泛應(yīng)用于GUI程序開發(fā)。但 C與C++相比，C++的目標(biāo)代碼往往比較龐大和復(fù)雜，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)充分考慮這一因素。Modula-2定義清晰，支持豐富，具有較好的模塊化結(jié)構(gòu)，在教學(xué)科研方面有較廣泛的應(yīng)用。雖然該語言的開發(fā)應(yīng)用一直比較平緩，但近兩年在歐洲有所復(fù)蘇。Java語言相對年輕，但有很強(qiáng)的跨平臺特性，目前發(fā)展勢頭較為強(qiáng)勁。它的"一次編程，到處可用"的特性使得它在很多領(lǐng)域倍受歡迎。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，Java及嵌入式Java的應(yīng)用也將越來越廣泛[2]。
（三）開發(fā)工具的選擇
1．系統(tǒng)調(diào)試器的功能。系統(tǒng)調(diào)試特別是遠(yuǎn)程調(diào)試是一個(gè)重要的功能。
2．支持庫函數(shù)。許多開發(fā)系統(tǒng)提供大量使用的庫函數(shù)和模板代碼。如大家比較熟悉的C++編譯器就帶有標(biāo)準(zhǔn)的模板庫，它提供了一套用于定義各種有用的集裝、存儲、搜尋、排序?qū)ο蟆?br/>
3．編譯器開發(fā)商是否持續(xù)升級編譯器。
4．連接程序是否支持所有的文件格式和符號格式。
（四）硬件調(diào)試工具的選擇
好的軟件調(diào)試程序可以有效的發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的錯(cuò)誤。但是如果再選擇一個(gè)好的硬件調(diào)試就會達(dá)到事半功倍的效果。常用的硬件調(diào)試工具有以下幾種。
1．實(shí)時(shí)在線仿真器（ICE）。用戶從仿真插頭向ICE看，ICE應(yīng)是一個(gè)可被控制的MCU。ICE是通過一根短電纜連接到目標(biāo)系統(tǒng)上的，該電纜的一端有一個(gè)插件，插到處理器的插座上，而處理器則插到這個(gè)插件上。ICE支持常規(guī)的調(diào)試操作，如單步運(yùn)行、斷點(diǎn)、反匯編、內(nèi)存檢查、源程序級的調(diào)試等等。
2．邏輯分析儀。邏輯分析儀最常用于硬件調(diào)試，但也可用于軟件調(diào)試。它是一種無源器件，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)總線的事件.
