嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。下面是小編整理的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，歡迎大家參考!

　　嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：

　　嵌入式系統(tǒng)的組成包含了硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層。

　　1、硬件層：嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、通用設(shè)備接口和I/O接口。

　　嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時(shí)鐘電路+存儲(chǔ)器

　　Cache：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(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。它的主要目標(biāo)是減小存儲(chǔ)器給微處理器內(nèi)核造成的存儲(chǔ)器訪問(wèn)瓶頸，使處理速度更快。

　　2、中間層(也稱為硬件抽象層HAL或者板級(jí)支持包BSP)。

　　它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口開(kāi)發(fā)即可。BSP有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性。

　　設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：

　　A、 嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化和BSP功能。

　　片級(jí)初始化：純硬件的初始化過(guò)程，把嵌入式微處理器從上電的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。

　　板級(jí)初始化：包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過(guò)程，為隨后的系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序建立硬件和軟件的運(yùn)行環(huán)境。

　　系統(tǒng)級(jí)初始化：以軟件為主的初始化過(guò)程，進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。

　　B、 設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　3、系統(tǒng)軟件層：由RTOS、文件系統(tǒng)、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(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　4、應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序組成。

　　定義：

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　要點(diǎn)概括：

　　以應(yīng)用為中心：強(qiáng)調(diào)嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足用戶的特定需求。就絕大多數(shù)完整的嵌入式系統(tǒng)而言，用戶打開(kāi)電源即可直接享用其功能，無(wú)需二次開(kāi)發(fā)或僅需少量配置操作。

　　專用性：嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合大多對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性有較高要求，這就決定了服務(wù)于特定應(yīng)用的專用系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的主流模式，它并不強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展。這種專用性通常也導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件緊密集成的最終系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣才能更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性并降低成本，并使之具有更好的用戶體驗(yàn)。

　　以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心：嵌入式系統(tǒng)的最基本支撐技術(shù)，大致上包括集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)、資源受限系統(tǒng)的高可靠軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)、系統(tǒng)形式化規(guī)范與驗(yàn)證技術(shù)、通信技術(shù)、低功耗技術(shù)、特定應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理和控制優(yōu)化技術(shù)等，它們圍繞計(jì)算機(jī)基本原理，集成進(jìn)特定的專用設(shè)備就形成了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。

　　軟硬件可裁剪：嵌入式系統(tǒng)針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景如此之多，并帶來(lái)差異性極大的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(功能性能、可靠性、成本、功耗)，以至于現(xiàn)實(shí)上很難有一套方案滿足所有的系統(tǒng)要求，因此根據(jù)需求的不同，靈活裁剪軟硬件、組建符合要求的最終系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然技術(shù)路線。

　　種類

　　嵌入式微處理器

　　嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是以通用計(jì)算機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)CPU為微處理器，并將其裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，且僅保留與嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。與通用計(jì)算機(jī)相比，其系統(tǒng)體積和功耗大幅度減小，而工作溫度的范圍、抗電磁干擾能力、系統(tǒng)的可靠性等方面均有提高。

　　在EMPU中，微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。

　　嵌入式微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）又稱單片機(jī)。它以某一種微處理器為核心，芯片內(nèi)部集成有一定容量的存儲(chǔ)器（ROM/EPROM、RAM）、I/O接口（串行接口、并行接口）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門狗、脈寬調(diào)制輸出、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、總線、總線邏輯等。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化、體積小、功耗低、可靠性較高。微控制器是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合執(zhí)行到DSP算法，編譯效率高，指令執(zhí)行速度也較快，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法已廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)渡到采用EDSP。

　　嵌入式片上系統(tǒng)

　　嵌入式片上系統(tǒng)（System onChip，SoC）是集系統(tǒng)性能于一塊芯片上的系統(tǒng)組芯片。它通常含有一個(gè)或多個(gè)微處理器IP核（CPU），根據(jù)需求也可增加一個(gè)或多個(gè)DSP IP核，相應(yīng)的外圍特殊功能模塊，以及一定容量的存儲(chǔ)器（RAM、ROM）等，并針對(duì)應(yīng)用所需的性能將其設(shè)計(jì)集成在芯片上，成為系統(tǒng)操作芯片。其主要特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)能夠運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好，操作系統(tǒng)的內(nèi)核小，效果好。

　　嵌入方式

　　嵌入式系統(tǒng)是通過(guò)把CPU嵌入目標(biāo)系統(tǒng)或被控系統(tǒng)中起作用的。但是在不同的嵌入式系統(tǒng)中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)連接關(guān)系的密切程度，嵌入形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。

　　全嵌入方式

　　如果采用全嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)可以不依賴于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即可單獨(dú)工作，典型實(shí)例有手機(jī)、MP4、車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。采用全嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

　　(1)具有獨(dú)立的處理器系統(tǒng)，且具有完整的輸入/輸出系統(tǒng)，能獨(dú)立完成系統(tǒng)的功能。

　　(2)高端CPU支持嵌入式操作系統(tǒng)，可以開(kāi)發(fā)功能復(fù)雜的應(yīng)用程序。

　　(3)一般為便攜式手持式設(shè)備，其工作環(huán)境一般是無(wú)人值守、移動(dòng)空間、高空或其他條件惡劣的環(huán)境。

　　(4)供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路。較高端的設(shè)備往往會(huì)把兩種供電方式結(jié)合起來(lái)，讓用戶使用起來(lái)更加靈活。

　　(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合，如消費(fèi)電子、家用電器、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)控制、智能儀器、戰(zhàn)場(chǎng)電子對(duì)抗、航天航空武器等，其應(yīng)用范圍十分廣泛。

　　半嵌入方式

　　如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)需要和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)才能正常工作，典型實(shí)例有醫(yī)用B超系統(tǒng)、基于PCI卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。采用半嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

　　(1)一般沒(méi)有獨(dú)立的處理器，而是借用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU完成計(jì)算和/或控制功能;有時(shí)即使具有自己的獨(dú)立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統(tǒng)的功能。

　　(2)嵌入式系統(tǒng)只是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，只能完成整個(gè)系統(tǒng)的一部分功能，而其他功能需要在通用計(jì)算機(jī)上完成。通用計(jì)算機(jī)利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機(jī)操作界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

　　(3)嵌入式系統(tǒng)的功能體對(duì)前端數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行對(duì)被控對(duì)象的控制，其中的數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)等功能由通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。

　　(4)嵌入式系統(tǒng)一般采用各種規(guī)范的總線形式和通用計(jì)算機(jī)相連接。典型的實(shí)例有PCI總線、USB總線等，簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)還可以通過(guò)串口來(lái)連接。

　　(5)嵌入式系統(tǒng)是作為外設(shè)連接在通用計(jì)算機(jī)上的，因此在通用計(jì)算機(jī)中一般需要提供嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序。