嵌入式系統體系結構

時間：2024-06-27 15:08:38 樂怡嵌入式培訓我要投稿

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嵌入式系統體系結構

　　所有帶有數字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統，有些嵌入式系統還包含操作系統，但大多數嵌入式系統都是由單個程序實現整個控制邏輯。下面是小編整理的關于嵌入式系統體系結構，歡迎大家參考!

　　嵌入式系統體系結構：

　　嵌入式系統的組成包含了硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層。

　　1、硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設備接口和I/O接口。

　　嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時鐘電路+存儲器

　　Cache：位于主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。它的主要目標是減小存儲器給微處理器內核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快。

　　2、中間層(也稱為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP).

　　它將系統上層軟件和底層硬件分離開來，使系統上層軟件開發人員無需關系底層硬件的具體情況，根據BSP層提供的接口開發即可。BSP有兩個特點：硬件相關性和操作系統相關性。

　　設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：

　　A、嵌入式系統的硬件初始化和BSP功能。

　　片級初始化：純硬件的初始化過程，把嵌入式微處理器從上電的默認狀態逐步設置成系統所要求的工作狀態。

　　板級初始化：包含軟硬件兩部分在內的初始化過程，為隨后的系統初始化和應用程序建立硬件和軟件的運行環境。

　　系統級初始化：以軟件為主的初始化過程，進行操作系統的初始化。

　　B、設計硬件相關的設備驅動。

　　3、系統軟件層：由RTOS、文件系統、GUI、網絡系統及通用組件模塊組成。

　　RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。

　　4、應用軟件：由基于實時系統開發的應用程序組成。

　　嵌入式芯片體系結構介紹

　　1.嵌入式微處理器(Micro Processor Unit，MPU)

　　嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。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是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。

　　Power PC：

　　由IBM、Apple和Motorola聯合開發，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構具有可伸縮性好、方便靈活的特點。主要有以下產品使用Power PC微處理器

　　蘋果公司：Power Macintosh系列、PowerBook系列(1995年以后的產品)、iBook系列、iMac系列(2005年以前的產品)、eMac系列產品。

　　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“無內部互鎖流水級的微處理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數據相關問題。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學Hennessy教授領導的研究小組研制出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎上開發的RISC工業產品的微處理器。這些系列產品為很多計算機公司采用構成各種工作站和計算機系統。MIPS技術公司是美國著名的芯片設計公司，它采用精簡指令系統計算結構(RISC)來設計芯片。和英特爾采用的復雜指令系統計算結構(CISC)相比，RISC具有設計更簡單、設計周期更短等優點，并可以應用更多先進的技術，開發更快的下一代處理器。MIPS是出現最早的商業RISC架構芯片之一，新的架構集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強大的功能。MIPS處理器是八十年代中期RISC CPU設計的一大熱點。MIPS是賣的最好的RISC CPU，可以從任何地方，如Sony， Nintendo的游戲機，Cisco的路由器和SGI超級計算機，看見MIPS產品在銷售。目前隨著RISC體系結構遭到x86芯片的競爭，MIPS有可能是起初RISC CPU設計中唯一的一個在本世紀盈利的。和英特爾相比，MIPS的授權費用比較低，也就為除英特爾外的大多數芯片廠商所采用。

　　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，從70年代末單片機出現到今天，雖然已經經過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，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工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。由于MCU低廉的價格，優良的功能，所以擁有的品種和數量最多，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占嵌入式系統約70%的市場份額。近來Atmel出產的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發展。

　　3.嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

　　DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。DSP的理論算法在70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。目前最為廣泛應用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。根據芯片廠商采用不同的IP核，可以分為以下幾類：

　　StarCore

　　Freescale

　　飛思卡爾數字信號處理器采用StarCore技術，是業內最高性能的可編程器件，可滿足基帶、航空航天、國防、醫療和測試與測量市場的需求。我們設計的StarCore DSP系列產品提供全面靈活擴展的解決方案，幫助客戶加快產品上市。StarCore DSP具有低功耗、低成本的顯著特點，是下一代設計的理想解決方案。通過新一代創新實現更加智能的世界。多核芯片主要包括：MSC8122: 帶有以太網的四核16位DSP，MSC8126: 帶有以太網、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寬帶無線接入DSP，MSC8158: MSC8158寬帶無線接入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(System On Chip)

　　SoC追求產品系統最大包容的集成器件，是目前嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產效率。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產品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。預計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數市場的SOC芯片，一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網絡及系統邏輯等應用領域中發揮重要作用。

　　嵌入式系統的組成結構

　　1.硬件層

　　（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 InterlockedPiped 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，存放的是近一段時間微處理器使用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。

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