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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來(lái)，使系統(tǒng)上層軟件開發(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)和開發(fā)平臺(tái)。
4、應(yīng)用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。
嵌入式芯片體系結(jié)構(gòu)介紹
1.嵌入式微處理器(Micro Processor Unit，MPU)
嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)較高。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。其中Arm/StrongArm是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位。
Power PC：
由IBM、Apple和Motorola聯(lián)合開發(fā)，并制造出基于PowerPC的多處理器計(jì)算機(jī)。PowerPC架構(gòu)具有可伸縮性好、方便靈活的特點(diǎn)。主要有以下產(chǎn)品使用Power PC微處理器
蘋果公司：Power Macintosh系列、PowerBook系列(1995年以后的產(chǎn)品)、iBook系列、iMac系列(2005年以前的產(chǎn)品)、eMac系列產(chǎn)品。
任天堂：GameCube 和 Wii。
Sony：PlayStation 3。
MIPS：
MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思“無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來(lái)的。MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計(jì)算機(jī)公司采用構(gòu)成各種工作站和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。MIPS技術(shù)公司是美國(guó)著名的芯片設(shè)計(jì)公司，它采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)(RISC)來(lái)設(shè)計(jì)芯片。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)(CISC)相比，RISC具有設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。MIPS是出現(xiàn)最早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一，新的架構(gòu)集成了所有原來(lái)MIPS指令集，并增加了許多更強(qiáng)大的功能。MIPS處理器是八十年代中期RISC CPU設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)。MIPS是賣的最好的RISC CPU，可以從任何地方，如Sony， Nintendo的游戲機(jī)，Cisco的路由器和SGI超級(jí)計(jì)算機(jī)，看見MIPS產(chǎn)品在銷售。目前隨著RISC體系結(jié)構(gòu)遭到x86芯片的競(jìng)爭(zhēng)，MIPS有可能是起初RISC CPU設(shè)計(jì)中唯一的一個(gè)在本世紀(jì)盈利的。和英特爾相比，MIPS的授權(quán)費(fèi)用比較低，也就為除英特爾外的大多數(shù)芯片廠商所采用。
2.嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，從70年代末單片機(jī)出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)了20多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場(chǎng)份額。近來(lái)Atmel出產(chǎn)的Avr單片機(jī)由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價(jià)比，勢(shì)必將推動(dòng)單片機(jī)獲得更高的發(fā)展。
3.嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。MPU較低的處理速度無(wú)法滿足DSP的算法要求，其應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。至80年代中期，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都得到成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。到80年代后期，DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產(chǎn)品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。目前最為廣泛應(yīng)用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。根據(jù)芯片廠商采用不同的IP核，可以分為以下幾類：
StarCore
Freescale
飛思卡爾數(shù)字信號(hào)處理器采用StarCore技術(shù)，是業(yè)內(nèi)最高性能的可編程器件，可滿足基帶、航空航天、國(guó)防、醫(yī)療和測(cè)試與測(cè)量市場(chǎng)的需求。我們?cè)O(shè)計(jì)的StarCore DSP系列產(chǎn)品提供全面靈活擴(kuò)展的解決方案，幫助客戶加快產(chǎn)品上市。StarCore DSP具有低功耗、低成本的顯著特點(diǎn)，是下一代設(shè)計(jì)的理想解決方案。通過(guò)新一代創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)更加智能的世界。多核芯片主要包括：MSC8122: 帶有以太網(wǎng)的四核16位DSP，MSC8126: 帶有以太網(wǎng)、TCOP和VCOP的四核16位DSP，MSC8144: 四核DSP，MSC8152: 高性能雙核DSP，MSC8154: 高性能四核DSP，MSC8154E: 帶有安全功能的高性能四核DSP，MSC8156: 高性能六核DSP，MSC8156E: 帶有安全功能的高性能六核DSP，MSC8157: MSC8157寬帶無(wú)線接入DSP，MSC8158: MSC8158寬帶無(wú)線接入DSP，MSC8252: 高性能雙核DSP，MSC8254: 高性能四核DSP，MSC8256: 高性能六核DSP 。單核芯片主要包括： MSC8151: 高性能單核DSP，MSC8251: 高性能單核DSP。
4.嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)
SoC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫(kù)中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數(shù)通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，一些大的芯片公司將通過(guò)推出成熟的、能占領(lǐng)多數(shù)市場(chǎng)的SOC芯片，一舉擊退競(jìng)爭(zhēng)者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。
嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
1.硬件層
�。�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(shè)計(jì)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(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。
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(shí)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(jì)，目前全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過(guò)1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS（ Microprocessor without InterlockedPiped Stages，無(wú)互鎖流水級(jí)的微處理器）/Power PC、X86、SH等。
�。�2）存儲(chǔ)器
嵌入式系統(tǒng)需要存儲(chǔ)器來(lái)存放可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含Cache、內(nèi)存和外存。
�、� Cache： Cache是一種容量小、速度快的存儲(chǔ)器陣列，它位于內(nèi)存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是近一段時(shí)間微處理器使用多的程序代碼和數(shù)據(jù)。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和混合Cache， Cache的大小依不同處理器而定。
②內(nèi)存：位于微處理器的內(nèi)部，用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。片內(nèi)存儲(chǔ)器容量小、速度快。
�、弁獯妫和獯嬗脕�(lái)存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大，但讀取速度與內(nèi)存相比慢很多，用來(lái)長(zhǎng)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、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(guò)和片外其他設(shè)備或傳感器的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無(wú)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-232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、I2C（現(xiàn)場(chǎng)總線）、SPI（串行外圍設(shè)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(jí)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(lái)，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無(wú)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(jìn)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。
實(shí)際上，BSP是一個(gè)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(jì)一個(gè)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(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
3.軟件層
軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)（ Embedded OperaTIon System，EOS）、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。EOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。以下先介紹前三種。
�。�1）嵌入式操作系統(tǒng)
不同功能的嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度有很大不同。簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)僅僅具有單一的功能，存儲(chǔ)器中的程序就是為了這一功能設(shè)計(jì)的，其系統(tǒng)處理核心也是單一任務(wù)處理器。復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)大，往往還配有嵌入式操作系統(tǒng)，如功能強(qiáng)大的智能手機(jī)等，幾乎具有與微型計(jì)算機(jī)一樣的功能。
嵌入式操作系統(tǒng)（ Embedded OperaTIon System，BOS）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)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(dòng)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應(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(qiáng)功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化、應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。
�。�2）文件系統(tǒng)
嵌入式文件系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，主要提供文件存儲(chǔ)、檢索、更新等功能，一般不提供保護(hù)、加密等安全機(jī)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(duì)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)。
（3）圖形用戶接口
圖形用戶接口（GUI）的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計(jì)算機(jī)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(guò)窗口、菜單、按鍵等方式來(lái)方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個(gè)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(diǎn)。
4.功能層
功能層也稱為應(yīng)用軟件層，應(yīng)用軟件是由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成，運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)之上，一般情況下與操作系統(tǒng)是分開的。應(yīng)用軟件用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的控制功能。功能層是要面對(duì)被控對(duì)象和用戶，為方便用戶操作，往往需要提供一個(gè)友好的人機(jī)界面。
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