嵌入式系统/ARM技术中的嵌入式系统中“软外设”的研究
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2020-12-10
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的嵌入式系统中技术中的嵌入式系统中“软外设软外设”的研究的研究
作者Email: sunchengli@sjzue.edu.cn 摘要：随着CPU的性能的不断提升，处理速度越来越快，运算能力不断增
强，在许多嵌入式系统的开发中逐渐出现了软外设（Software Peripherals）。所谓软外设是指以软件编程为手
段，模拟CPU的外围设备的功能，真正达到以软代硬的目的。软外设的出现给产品的开发带来了极大的灵活
性，不但使系统体积变得更小，而且使系统的升级换代变得更为方便，从而真正实现SOC。 本文介绍软外设的
设计思想以及在开发过程中应注意的事项，并结合一个嵌入式系统，分析软外设对系统的影响以及如何使设计
合理化。 关键词：嵌入式系统 UAR
作者Email: sunchengli@sjzue.edu.cn
摘要摘要：随着CPU的性能的不断提升，处理速度越来越快，运算能力不断增强，在许多嵌入式系统的开发中逐渐出现了软外设
（Software Peripherals）。所谓软外设是指以软件编程为手段，模拟CPU的外围设备的功能，真正达到以软代硬的目的。软
外设的出现给产品的开发带来了极大的灵活性，不但使系统体积变得更小，而且使系统的升级换代变得更为方便，从而真正实
现SOC。
本文介绍软外设的设计思想以及在开发过程中应注意的事项，并结合一个嵌入式系统，分析软外设对系统的影响以及如何使设
计合理化。
关键词关键词：嵌入式系统 UART Software Peripherals
一、介绍一、介绍
应该说软外设并不是一个新思想，从计算机发明以来，电子系统设计人员一直试图尽可能多地用软件编程来代替实际电路，通
过这种方式把外设嵌入进系统。但由于CPU速度、计算能力有限，以及内存技术的发展不够成熟，从而束缚了软外设的发
展。
近年来，随着电子技术的发展，越来越多的处理器厂家在处理器的设计中加大了对软外设的支持，象ARM公司宣称他们的
32、64位RISC处理器已经能用软件实现更多更强的功能，指令集也更为丰富，甚至包括DSP方面的许多功能现在已经能够在
CPU上实现。Motorola公司已经开发出基于SM56PCI接口的用纯软件实现的调制解调器。这些都说明电路设计已经进入了一
个崭新的时期。
目前，电子设计中把外设嵌入进系统的方法主要有两种。方法Ⅰ是采用标准的微处理器＋一块辅助芯片，辅助芯片可以是
FPGA或CPLD等可编程逻辑芯片；方法Ⅱ是采用基本的CPU内核＋附加逻辑单元，这些可以在一块高密度可编程逻辑芯片上
实现，CPU内核往往为Altera和Xilinx等FPGA生产厂家提供的软件模块。以上两种方法都需要开发人员熟悉硬件描述语言，但
在实际应用中CPU内核以及各种IP核的使用的往往要得到产权许可，而且可编程逻辑芯片体积大，价格昂贵，故在一些便携
式装置的研制中不便采用。
软外设的设计通常是采用标准的微处理器，在满足系统稳定和系统负荷允许的条件下，设计中尽可能多地采用可配置的软件模
块，用这些可配置的软件模块来实现某种外设的功能。并且可以配置、升级、重组，从而完成特定的功能。应该说明的是，并
不是所有外设的功能都能完全由软件实现，这种设计方法的目的是在系统允许的条件下尽量“以软代硬”，以尽可能少的硬件开
销取得最佳的性能比。
二、系统要求二、系统要求
下面给出具有软外设的嵌入式系统结构图。
下面给出对嵌入式系统的要求：
（1） 高性能CPU内核。软外设的必须以高性能CPU内核为支持，只有采用高性能CPU内核，系统的频率才能得以提高，软
外设和CPU之间才能高速传送数据，软外设才能得以高速运行而对系统整体工作不会有太多影响。建议采用带有流水线、32
位以上RISC核的CPU。
（2） 快速的中断响应。软外设均采用中断方式向CPU提出服务请求。可以在片上存储器与内部总线之间增加寄存器组来减少
系统的中断响应时间。
（3） 附加硬件模块。正如前面所提，系统有些特性是不能由软件实现的，象定时器、中断控制器。另外在信号处理中由于
A/D、D/A转换如果用软件实现对系统开销太大，由硬件实现较好。
（4） 快速、足够的存储器和高性能的运算单元。
三、软外设的算法设计三、软外设的算法设计
由于软外设要求实时性强，有时需要和别的应用程序并行执行，在设计时可以把软外设看作等待服务的任务，协调、安排好这
些任务非常重要，根据任务的确定性可以把实时系统的进程调度策略划分为两类：一类是静态的，主要负责预先知道发生时间
的任务；要求按进度准点完成的任务；要求固定时间发生的任务。对这类调度策略可以采用Round－robin算法或间隔算法
（见3）。另外一类是动态进程调度策略，负责那些不能预测何时发生任务；不知执行周期有多长的任务。这是一些具有临时
性的任务，比如含有条件循环的任务（不知何时满足条件）。以上两种策略分别适用于不同的情况，在一个复杂的系统中，往
往存在几个要求并行执行的软外设，进程的调度对任务的同步和系统的优化非常重要。
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