1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式計算機系統(tǒng)可以抽象成一個典型的組成模型：硬件層、中間層、軟件層和功能層，如圖1-1所示。

1.硬件層

硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（如 SDRAM、ROM、Flash 等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（如A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就可構(gòu)成一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。嵌入式系統(tǒng)硬件如圖1-2所示。

1）嵌入式微處理器

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮?諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1 000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

2）存儲器

嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。

Cache：Cache 是一種容量小、速度快的存儲器陣列，它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能地從 Cache 中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就可大大改善系統(tǒng)的性能，提高微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標(biāo)是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。在嵌入式系統(tǒng)中，Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。

主存：主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量一般為 256KB～1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)存儲器容量小、速度快，片外存儲器容量大。常用于主存的存儲器有

● ROM類：NOR Flash、EPROM和PROM等；

● RAM類：SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

輔助存儲器（即外存）：輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢很多，用來長期保存用戶的信息。嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

3）通用設(shè)備接口和I/O接口

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。

目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有 A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口、D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口，I/O接口有RS-232C接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、IIC總線、IIS總線、SD卡接口、現(xiàn)場總線、SPI（串行外圍設(shè)備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

2.中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無須關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。

● 硬件相關(guān)性，因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法；

● 操作系統(tǒng)相關(guān)性，不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

實際上，BSP 是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。

1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

系統(tǒng)初始化過程可以分為3個主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。

（1）片級初始化：完成嵌入式微處理器的初始化，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。

（2）板級初始化：完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。另外，還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟/硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程。

（3）系統(tǒng)初始化：該初始化過程以軟件初始化為主，主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。

2）硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序

BSP 的另一個主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將它們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序是BSP設(shè)計與開發(fā)中另一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

3.軟件層

系統(tǒng)軟件層由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-Time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

1）嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟/硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出了一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它具有一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等。

2）嵌入式文件系統(tǒng)

嵌入式文件系統(tǒng)比較簡單，主要提供文件存儲、檢索和更新等功能，一般不提供保護和加密等安全機制。它以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要有設(shè)置、修改對文件和目錄的存取權(quán)限；提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)；提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。

此外嵌入式文件系統(tǒng)還具有以下特點。

（1）兼容性。嵌入式文件系統(tǒng)通常可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，如FAT32、JFFS2、YAFFS等。

（2）實時文件系統(tǒng)。除支持標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)外，為提高實時性，有些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實時文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)一般采用連續(xù)的方式存儲文件。

（3）可裁剪、可配置。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的要求選擇所需的文件系統(tǒng)，選擇所需的存儲介質(zhì)，配置可同時打開的最大文件數(shù)等。

（4）支持多種存儲設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的外存形式多樣，嵌入式文件系統(tǒng)需方便地掛接不同存儲設(shè)備的驅(qū)動程序，具有靈活的設(shè)備管理能力。同時根據(jù)不同外部存儲器的特點，嵌入式文件系統(tǒng)還需要考慮其性能、壽命等因素，發(fā)揮不同外存的優(yōu)勢，提高存儲設(shè)備的可靠性和使用壽命。

3）嵌入式圖形用戶接口

圖形用戶界面或圖形用戶接口（Graphical User Interface，GUI）的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計算機發(fā)展的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。

嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面，一般使用以下幾種方法實現(xiàn)。

● 針對特定的圖形設(shè)備輸出接口，自行開發(fā)相關(guān)的功能函數(shù)；

● 購買針對特定嵌入式系統(tǒng)的圖形中間軟件包；

● 采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng)；

● 使用獨立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產(chǎn)品。