基于ARM的嵌入式的软件开发探究

基于ARM的嵌入式的软件开发探究
发布时间：2022-03-24T06:45:43.045Z 来源：《中国建设信息化》2021年第26卷20期作者：吴凡周健健
[导读] ＡＲＭ作为嵌入式系统中应用场景相对广泛的一款处理器
吴凡周健健
网络通信与安全紫金山实验室江苏南京 210000
摘要：ＡＲＭ作为嵌入式系统中应用场景相对广泛的一款处理器，凭借着自身优秀的性价比、低消耗和高稳定性得到了市场的青睐。

从硬件组成的角度来说，主要由嵌入式微处理器、周边硬件辅助设备、嵌入式软件操作系统和用户终端应用程序三个部分组成。

从功能角度来说，ＡＲＭ能够对系统内的其他硬件设备进行实时调度、运行监督和功能管理等。

本文就是基于ＡＲＭ嵌入式系统的基本概念和实际应用场景展开探讨，浅谈ＡＲＭ嵌入式系统的使用价值和发展前景。

关键词：ＡＲＭ；嵌入式；LInux；软件开发
前言：
ＡＲＭ作为嵌入式系统的中心处理器，承担着维持整个系统常规运行的重要作用，各项指令调度都需要通过ＡＲＭ处理器进行信息指令交换。

在嵌入式系统的结构不断趋于复杂、功能不断向多样化扩充和系统规模不断快速增加的背景下，处理器的作用也显得越发重要。

为了能够维持整个系统的正常运营，就必须要保障系统内的信息指令能够快速下达到各个部分，同时各个部分也要有快速相应指令和反馈自身运转状态的能力。

因此，在讨论ＡＲＭ的嵌入式系统软件开发课题时，必须慎重考量各方面的因素。

一、基于ＡＲＭ的嵌入式系统
（一）嵌入式系统的定义与特点
嵌入式系统是指用来控制、监视和管理系统内各个设备的信息指令集中处理单位。

对嵌入式系统来说，其核心任务是借助计算机技术完成自身程序设定的功能。

从基本定义出发，可以了解到嵌入式系统的特点包括：
１. 系统开发的根本职责是为了满足某一特定的功能，系统核心管理器和职能控制都有明确部署；
２. 嵌入式系统在开发之初就为后续的升级优化留有空间，可以在实践应用过程中随时进行功能和配置调整，并且在调整后依旧可以保持高稳定性和可靠性；
３. 嵌入式系统的控制程序是和芯片直接绑定的；
４. 嵌入式系统的控制程序和既定芯片之间存在极高的适配性，集中体现在编译软件和烧录工具的高度契合上。

（二）嵌入式系统的基本结构
嵌入式系统由两部分组成：嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分。

硬件部分主要是各种电子元件，它们将组成局部控制处理器、传感器和其他功能性硬件单位，是执行系统功能的主要载体；软件部分则是由特定的工作程序和运行程序共同组成的工作平台，主要负责信息指令的生成、传递和反馈，并且在特定情况下还能及时制止系统内的违规操作行为、保护系统的正常运行不受破坏。

二、嵌入式软件系统的开发方法
（一）交叉编译环境的建立
从Linux系统的物理承载能力分析，Linux系统本身很难提供足够的内存空间完成嵌入式系统的软件开发与测试。

因此，嵌入式系统的软件开发通常要先搭建一个具有高适配性的平台，并在该平台上完成系统的开发与测试工作。

不仅如此，为了保障嵌入式系统的运行质量、保障系统的运行环境稳定，还需要在开发平台的基础上搭建一个专属运行平台。

在此基础上，大多数嵌入式系统软件的开发都是采取交叉编译的方式进行的。

这样做的好处在于，对于某一特定嵌入式软件系统的开发既可以在指定的PC机上完成，也可以在其他安装了开发运行平台的电脑上进行，极大提升了产品开发的效率和开发者团队的沟通效率。

（二）引导程序Boot loader的开发
作为系统开启运行后的第一段代码，引导程序Boot loader的重要性是不言而喻的。

在操作顺序上，命令代码和嵌入式控制板之间的嵌入完成后，在启动运行之前必须保障测试系统中的所有硬件设备都已经完成了初始化。

软件控制上，需要保障全部内存已经得到释放，新嵌入的程序在开始运行时处于良好的运行环境中。

只有这样，才能有效保障系统的流畅性，且在出现意外情况时能够快速进行问题溯源和反馈。

为了完成上述操作设计，就需要在嵌入式系统常规运行前设置一个引导程序——Boot loader。

尽管引导程序极为重要，但依旧会出现忽略引导程序的情况，这主要是引导程序启动的硬件连接方式不同引起的。

在进行控制板程序写入的过程中，控制板和计算机之间是通过单一串口连接的，在信息指令传递上呈现出单向化趋势。

因此，开发团队应该注意到这一问题，并且妥善处理好这一工作。

（三）Linux内核开发
尽管现阶段在电脑操作系统领域存在一些较为强势的竞争对手，但Linux系统依旧是开发者最喜欢的操作系统内核之一。

在组成上主要有存储管理、CPU、进程管理、文件系统、设备管理、网络通信、各种驱动和系统初始化引导等部分。

Linux内核开发的内容包括配置与编译和映像文件生成两部分。

具体开发步骤如下：
１. 根据系统开发需要整合源代码信息，并下载对应的ＡＲＭ补丁，并完成两者的拼装工作。

在不同的文件目录中分别找到源代码、头文件，再就Make file文件进行修改，制作编译器、搭建交叉编译环境；
２. 完成技术编译环境搭建后，重新配置修改信息，以保证系统内的硬件配置和软件系统都能很好地在新运行环境中平稳运作；３. 基于ＡＲＭ的嵌入式软件开发系统中，接收、执行和编译分析模块都能够有效执行和反馈命令代码。

三、基于ARM的嵌入式系统应用概况
（一）嵌入式系统发展现状
嵌入式系统的应用范围非常广泛，甚至已经达到了影响现代化智能生活所有方面的程度。

嵌入式系统产品的应用已经深刻影响到了人
们的日常衣食住行，甚至诸多高科技产品本身就是一个庞大的嵌入式系统。

（二）基于arm的嵌入式系统应用领域
１. 工业控制领域：实体工业中的各类自动化机床、自动控制设备都是基于ＡＲＭ嵌入式控制器的基础上完成设计和系统搭建的。

不仅如此，各种无人工厂的日常运作也都需要ＡＲＭ嵌入控制器的信息调度参与；
２. 交通管理领域：传统汽车设计中的影音系统、导航系统和车内动力控制系统都是由ＡＲＭ作为信息传递中枢构建的。

在创新汽车设计中，自动驾驶的实现更需要ＡＲＭ嵌入式控制器发挥更大的作用；
３. 智能家居领域：除了智能移动终端设备之外，日常智能家居产品也都需要ＡＲＭ嵌入式微控制器的广泛参与，帮助智能设备进行联网控制、数据控制和状态调整等；
４. 公共服务领域：智能交通卡、自动贩卖机、自动取款机和智慧城市的构建都需要巨量的ＡＲＭ嵌入式微控制器的参与；５. 环境工程领域：环境检测，尤其是类似PM２.５的检测依靠人力基本上不可能实现，只能借助ＡＲＭ控制器的帮助。

四、嵌入式系统的发展前景
嵌入式系统的开发是迎合了人们对智能化生活追求的产物，也是构建智能化社会的重要技术基础。

以人们日常生活应用最广泛的家电为例，智能家居产品的开发需要大量的核心处理器和功能处理器。

这需要有内置处理器专门处理这些来自不同设备的信息指令，并快速传递到智能产品的功能执行控制区。

结合５G技术的特点来说，未来十年里，嵌入式系统的开发方向将主要集中在多功能性、成本控制和体积压缩等课题上。

所谓的多功能性，主要是指赋予单一处理器更多的数据处理空间、数据运算能力和更多的数据管理分区，将数据分析处理、功能管理、资源分配和通讯反馈等功能集于一身，以此作为成本控制和体积压缩的重要基础。

更值得关注的问题是，基于ＡＲＭ的嵌入式软件开发是需要有更多的硬件开发配合，且这种配合并非是简单的性能熟悉和功能整合，而是基于功能设计目标的软硬件整体开发和统一整合。

也就是说，未来的嵌入式软件开发是需要建立在系统性开发基础之上的，需要国内系统开发行业在各个方面都具备相当的实力和凝聚力。

这一点也正是现阶段国内头部科技企业正努力奋斗的目标，且相关扶持政策也已经逐步落实，有利于发展系统性开发的生态系统将很快被建立起来。

五、结语
综上所述，嵌入式系统目前已经成为影响人们高质量生活的重要组成部分，且深刻影响着智能化社会的构建。

值得注意的是，嵌入式系统的开发并非是各个部分的独立开发和简单拼接组装，而是一系列的软硬件相结合、共同开发的工程。

软件的开发必须以硬件设备的基本性能为参考，并在开发过程中不断测试优化和参数调整，才能最终完成高效率嵌入式系统开发的目标。

参考文献：
[1]王丹, 刘国栋, 张海涛,等. 基于ARM的嵌入式系统开发[J]. 微处理机, 2021, 42(01):3.
[2]胡苏瑶. 一种基于ARM的嵌入式Web服务器的开发与实现研究[J]. 科技创新与应用, 2020(28):2.。