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嵌入式系統(tǒng)組成

時(shí)間:2024-10-20 08:07:39 嵌入式培訓(xùn) 我要投稿
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嵌入式系統(tǒng)組成

  簡(jiǎn)介

  一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成,如圖1-1所示,嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心,由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱(chēng)為被控對(duì)象,它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令,執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡(jiǎn)單,如手機(jī)上的一個(gè)微小型的電機(jī),當(dāng)手機(jī)處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開(kāi);也可以很復(fù)雜,如SONY智能機(jī)器狗,上面集成了多個(gè)微小型控制電機(jī)和多種傳感器,從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)作和感受各種狀態(tài)信息。

  硬件層

  硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用設(shè)備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路,就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

  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(zhuān)用設(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。

  嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu);指令系統(tǒng)可以選用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(Reduced Instruction Set Computer,RISC)和復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC(Complex Instruction Set Computer,CISC)。RISC計(jì)算機(jī)在通道中只包含最有用的指令,確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令,從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單。

  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、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場(chǎng)不同的是,沒(méi)有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場(chǎng),僅以32位的產(chǎn)品而言,就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

  2、存儲(chǔ)器

  嵌入式系統(tǒng)需要存儲(chǔ)器來(lái)存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含Cache、主存和輔助存儲(chǔ)器。

  1>Cache

  Cache是一種容量小、速度快的存儲(chǔ)器陣列它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)。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作時(shí),微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù),而不是從主存中讀取,這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能,提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標(biāo)就是:減小存儲(chǔ)器(如主存和輔助存儲(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,實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

  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或混合Cache,Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會(huì)把Cache集成進(jìn)去。

  2>主存

  主存是嵌入式微處理器能直接訪問(wèn)的寄存器,用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部,其容量為256KB~1GB,根據(jù)具體的應(yīng)用而定,一般片內(nèi)存儲(chǔ)器容量小,速度快,片外存儲(chǔ)器容量大。

  常用作主存的存儲(chǔ)器有:

  ROM類(lèi) NOR Flash、EPROM和PROM等。

  RAM類(lèi) SRAM、DRAM和SDRAM等。

  其中NOR Flash 憑借其可擦寫(xiě)次數(shù)多、存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

  3>輔助存儲(chǔ)器

  輔助存儲(chǔ)器用來(lái)存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息,它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多,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(pán)、NAND Flash、CF卡、MMC和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)備的或傳感器的連接來(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?xún)?nèi)置芯片中。外設(shè)的種類(lèi)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)和IrDA(紅外線接口)等。

  中間層

  硬件層與軟件層之間為中間層,也稱(chēng)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(kāi)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(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(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(kāi)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。BSP具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。

  硬件相關(guān)性:因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性,而作為上層軟 件與硬件平臺(tái)之間的接口,BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。

  操作系統(tǒng)相關(guān)性:不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu),因此,不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

  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)。

  1、嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

  系統(tǒng)初始化過(guò)程可以分為3個(gè)主要環(huán)節(jié),按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為:片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化。

  片級(jí)初始化

  完成嵌入式微處理器的初始化,包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級(jí)初始化把嵌入式微處理器從上電時(shí)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)。這是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)程。

  板級(jí)初始化

  完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。另外,還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù),為隨后的系統(tǒng)級(jí)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個(gè)同時(shí)包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過(guò)程。

  系統(tǒng)初始化

  該初始化過(guò)程以軟件初始化為主,主要進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對(duì)嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng),由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作,包含加載和初始化與硬件無(wú)關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū),加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊,如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后,操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境,并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。

  2、硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

  BSP的另一個(gè)主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化通常是一個(gè)從高到低的過(guò)程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由BSP使用,而是在系統(tǒng)初始化過(guò)程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái),并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序是BSP設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中另一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

  系統(tǒng)軟件層

  系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real-time Operation System,RTOS)、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。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

  嵌入式操作系統(tǒng)

  嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System,EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件,過(guò)去它主要應(yīng)用與工業(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(zhuān)業(yè)化,EOS開(kāi)始從單一的弱功能向高專(zhuān)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(lài)性、軟件固化以及應(yīng)用的專(zhuān)用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。EOS是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而言的,它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能,如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件功能等外,還有以下特點(diǎn):

  (1)可裝卸性。開(kāi)放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。

  (2)強(qiáng)實(shí)時(shí)性。EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng),可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。

  (3)統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口.

  (4)操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形GUI,圖形界面,追求易學(xué)易用.

  (5)提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,支持TCP/IP協(xié)議及其它協(xié)議,提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問(wèn)層接口,為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。

  (6)強(qiáng)穩(wěn)定性,弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不需要用戶過(guò)多的干預(yù),這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令,它通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。

  (7)固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中,嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。輔助存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用,因此,嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠很容易地拆卸,而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng)。

  (8)更好的硬件適應(yīng)性,也就是良好的移植性。

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