嵌入式系统组成
嵌入式系统组成
嵌入式系统组成
简介
一个嵌入式系统装置一般都由 和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和 层组成。执行装置也称为被控 ，它可以接受 发出的控制 ，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY ，上面集成了多个微小型控制电机和多种 ，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。
硬件层
硬件层中包含 、 （SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和 （A/D、D/A、I/O等）。在一片 基础上添加电源 、 和 电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中 和 都可以固化在ROM中。
1、
嵌入式系统硬件层的核心是 ，嵌入式微处理器与通用 最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由 完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的 和可靠性。
的 可以采用 体系或 ； 可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行 并使CPU硬件结构设计变得更为简单。
有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的 和 ，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界 已经超过1000多种， 有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种 可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。 的选择是根据具体的应用而决定的。
2、
嵌入式系统需要 来存放和执行代码。嵌入式系统的 包含Cache、主存和 。
1>Cache
Cache是一种容量小、速度快的 阵列它位于主存和 之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的 代码和数据。在需要进行数据读取操作时， 尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的 。Cache的主要目标就是：减小 （如主存和辅助存储器）给 造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。
在嵌入式系统中Cache全部集成在 内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的 才会把Cache集成进去。
2>主存
主存是 能直接访问的 ，用来存放系统和用户的 及数据。它可以位于 的内部或外部，其 为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片 容量小，速度快，片 容量大。
常用作主存的 有：
ROM类 NOR Flash、EPROM和PROM等。
RAM类 SRAM、DRAM和SDRAM等。
其中NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。
3>辅助存储器
辅助 用来存放 量的 代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。
嵌入式系统中常用的外存有： 、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。
3、通用设备接口和I/O接口
嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现 的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的 无线设备。
目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有 （ 接口）、Ethernet（ 接口）、USB（ 接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（ ）、SPI（ ）和IrDA（ ）等。
中间层
硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或 （Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层 与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。
硬件相关性：因为 的 具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为 提供操作和控制具体硬件的方法。
相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。
实际上，BSP是一个介于 和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的 。
1、嵌入式系统硬件初始化
过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。
片级初始化
完成 的初始化，包括设置嵌入式微处理器的核心 和 、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的 模式等。片级初始化把 从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。
板级初始化
完成 以外的其他硬件设备的初始化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和 的运行建立硬件和 。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。
系统初始化
该初始化过程以软件初始化为主，主要进行 的初始化。BSP将对 的控制权转交给 ，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立 区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后， 创建 环境，并将控制权交给应用程序的入口。
2、硬件相关的设备
BSP的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与 中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。
系统软件层
系统软件层由 （Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形 （Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式 的基础和开发平台。
嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与工业控制和国防系统领域。EOS负责 的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着 的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。 在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般 而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、 、文件功能等外，还有以下特点：
(1)可装卸性。开放性、可伸缩性的 。
(2)强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。
(3)统一的接口。提供各种设备驱动接口.
(4)操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用.
(5)提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，提供TCP/UDP/IP/PPP 及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口.
(6)强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。 的用户接口一般不提供操作命令，它通过 命令向 提供服务。
(7)固化代码。在 中， 和 被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助 在嵌入式系统中很少使用，因此， 的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统.
(8)更好的硬件适应性，也就是良好的移植性.