嵌入式系統的組成結構

嵌入式系統的核心計算系統可以抽象出一個典型的組成模型:硬件層、中間層、軟件層和功能層,如圖1-2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上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路,就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中,操作系統和應用程序都可以固化在ROM中。
(1)嵌入式微處理器
嵌入式系統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門設計的系統中,它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內部,從而有利于嵌入式系統在設計時趨于小型化,同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式系統的組成結構
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據總線寬度,或集成了不同的外設和接口。據不完全統計,目前全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種,體系結構有30多個系列,其中主流的體系有ARM、MIPS( Microprocessor without Interlocked Piped Stages,無互鎖流水級的微處理器)/Power PC、X86、SH等。
(2)存儲器
嵌入式系統需要存儲器來存放可執行代碼和數據。嵌入式系統的存儲器包含Cache、內存和外存。
① Cache: Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列,它位于內存和嵌入式微處理器內核之間,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據。在嵌入式系統中,Cache全部集成在嵌入式微處理器內,可分為數據Cache、指令Cache和混合Cache, Cache的大小依不同處理器而定。
②內存:位于微處理器的內部,用來存放系統和用戶的程序及數據。片內存儲器容量小、速度快。
③外存:外存用來存放大數據量的程序代碼或信息,它的容量大,但讀取速度與內存相比慢很多,用來長期保存用戶的信息。
嵌入式系統中常用的外存有硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC、SD卡等。
(3)通用設備接口和I/O接口
嵌入式系統和外界交互需要一定形式的通用設備接口,如A/D、D/A、I/O等,外設通過和片外其他設備或傳感器的連接來實現微處理器的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能,它可以在芯片外也可以內置芯片中。外設的種類很多,可從一個簡單的串行通信設備到非常復雜的802.11無線設備。
目前,嵌入式系統中常用的通用設備接口有A/D(模/數轉換接口)、D/A(數/模轉換接口),I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網接口)、USB(通用串行總線接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現場總線)、SPI(串行外圍設備接口)、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),它將系統上層軟件與底層硬件分離開來,使系統的底層驅動程序與硬件無關,上層軟件開發人員無須關心底層硬件的具體情況,根據BSP層提供的接口即可進行開發。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。
實際上,BSP是一個介于操作系統和底層硬件之間的軟件層次,包括了系統中大部分與硬件聯系緊密的軟件模塊。設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作:嵌入式系統的硬件初始化以及BSP功能,設計硬件相關的設備驅動。
3.軟件層
軟件層由嵌入式操作系統( Embedded Operation System,EOS)、文件系統、圖形用戶接口( Graphic User Interface,GUI)、網絡系統及通用組件模塊組成。EOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。以下先介紹前三種。
(1)嵌入式操作系統
不同功能的嵌入式系統的復雜程度有很大不同。簡單的嵌入式系統僅僅具有單一的功能,存儲器中的程序就是為了這一功能設計的,其系統處理核心也是單一任務處理器。復雜的嵌入式系統不僅功能強大,往往還配有嵌入式操作系統,如功能強大的智能手機等,幾乎具有與微型計算機一樣的功能。
嵌入式操作系統( Embedded Operation System,BOS)是一種用途廣泛的系統軟件,過去它主要應用于工業控制和國防系統領域。EOS負責嵌入系統的全部軟、硬件資源的分配、任務調度,控制、協調并發活動。它必須體現其所在系統的特征,能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。目前,已推出一些應用比較成功的EOS產品系列。隨著 Internet技術的發展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業化,EOS開始從單一的弱功能向高專業化的強功能方向發展。嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化、應用的專用性等方面具有較為突出的特點。
(2)文件系統
嵌入式文件系統比較簡單,主要提供文件存儲、檢索、更新等功能,一般不提供保護、加密等安全機制。它以系統調用和命令方式提供文件的各種操作,主要有設置、修改對文件和目錄的存取權限,提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務,提供創建、打開、讀寫、關閉和撤銷文件等服務。
(3)圖形用戶接口
圖形用戶接口(GUI)的廣泛應用是當今計算機發展的重大成就之一,它極大地方便了非專業用戶的使用,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。
4.功能層
功能層也稱為應用軟件層,應用軟件是由基于實時系統開發的應用程序組成,運行在嵌入式操作系統之上，一般情況下與操作系統是分開的。應用軟件用來實現對被控制對象的控制功能。功能層是要面對被控對象和用戶，為方便用戶操作，往往需要提供一個友好的人機界面。