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嵌入式系統(tǒng)中“軟外設”的研究
作者Email: sunchengli@sjzue.edu.cn
摘要：隨著CPU的性能的不斷提升，處理速度越來越快，運算能力不斷增強，在許多嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中逐漸出現(xiàn)了軟外設（Software Peripherals）。所謂軟外設是指以軟件編程為手段，模擬CPU的外圍設備的功能，真正達到以軟代硬的目的。軟外設的出現(xiàn)給產品的開發(fā)帶來了極大的靈活性，不但使系統(tǒng)體積變得更小，而且使系統(tǒng)的升級換代變得更為方便，從而真正實現(xiàn)SOC。
本文介紹軟外設的設計思想以及在開發(fā)過程中應注意的事項，并結合一個嵌入式系統(tǒng)，分析軟外設對系統(tǒng)的影響以及如何使設計合理化。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) UART Software Peripherals
一、介紹
應該說軟外設并不是一個新思想，從計算機發(fā)明以來，電子系統(tǒng)設計人員一直試圖盡可能多地用軟件編程來代替實際電路，通過這種方式把外設嵌入進系統(tǒng)。但由于CPU速度、計算能力有限，以及內存技術的發(fā)展不夠成熟，從而束縛了軟外設的發(fā)展。
近年來，隨著電子技術的發(fā)展，越來越多的處理器廠家在處理器的設計中加大了對軟外設的支持，象ARM公司宣稱他們的32、64位RISC處理器已經能用軟件實現(xiàn)更多更強的功能，指令集也更為豐富，甚至包括DSP方面的許多功能現(xiàn)在已經能夠在CPU上實現(xiàn)。Motorola公司已經開發(fā)出基于SM56PCI接口的用純軟件實現(xiàn)的調制解調器。這些都說明電路設計已經進入了一個嶄新的時期。
目前，電子設計中把外設嵌入進系統(tǒng)的方法主要有兩種。方法Ⅰ是采用標準的微處理器＋一塊輔助芯片，輔助芯片可以是FPGA或CPLD等可編程邏輯芯片；方法Ⅱ是采用基本的CPU內核＋附加邏輯單元，這些可以在一塊高密度可編程邏輯芯片上實現(xiàn)，CPU內核往往為Altera和Xilinx等FPGA生產廠家提供的軟件模塊。以上兩種方法都需要開發(fā)人員熟悉硬件描述語言，但在實際應用中CPU內核以及各種IP核的使用的往往要得到產權許可，而且可編程邏輯芯片體積大，價格昂貴，故在一些便攜式裝置的研制中不便采用。
軟外設的設計通常是采用標準的微處理器，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和系統(tǒng)負荷允許的條件下，設計中盡可能多地采用可配置的軟件模塊，用這些可配置的軟件模塊來實現(xiàn)某種外設的功能。并且可以配置、升級、重組，從而完成特定的功能。應該說明的是，并不是所有外設的功能都能完全由軟件實現(xiàn)，這種設計方法的目的是在系統(tǒng)允許的條件下盡量“以軟代硬”，以盡可能少的硬件開銷取得最佳的性能比。
二、系統(tǒng)要求
下面給出具有軟外設的嵌入式系統(tǒng)結構圖。
下面給出對嵌入式系統(tǒng)的要求：
（1） 高性能CPU內核。軟外設的必須以高性能CPU內核為支持，只有采
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