1.1.3　嵌入式系统的组成

随着技术的不断发展，嵌入式系统已成为将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术等各种技术相结合的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。图1-3给出了通常意义上嵌入式系统的组成。

由图1-3可见，嵌入式系统总体上可划分为硬件和软件两大部分：

·与普通PC系统类似，嵌入式系统硬件部分通常包含高性能微处理器、I/O接口、电源管理、存储器及外围电路等，但是它与一般的PC系统有很大的区别，因为嵌入式系统在功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。

·软件部分是嵌入式系统功能实现的核心，通常包含设备驱动程序、嵌入式操作系统、嵌入式应用程序等。PC的出现使桌面软件得到了飞速发展，而嵌入式软件产业的蓬勃发展同样为系统应用提供了无穷的推动力，种类繁多、应用场景复杂多变的嵌入式产品为人类提供了越来越多的便利，如今人们的日常生活已无法脱离嵌入式产品。

事实上，并非所有的嵌入式系统都包含上述组成部分，在进行嵌入式系统设计时，系统设计人员应根据系统能力、应用场景、功耗、体积、实时性等多种因素进行适当的优化和组合设计，力求达到最好的性能和效率。

1.硬件层

硬件层提供了嵌入式系统的运行平台，主要包括高性能微处理器、I/O接口、定时器、电源管理、存储器及外围电路等。简要介绍如下：

·嵌入式微处理器。作为嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器担负着控制系统工作的重要任务，也就是说使宿主设备功能智能化、设计灵活且操作简便。为合理高效地完成这些任务，嵌入式微处理器应具有以下特点：较强的实时多任务支持能力、存储区保护功能、可扩展的微处理器结构、较强的中断处理能力、低功耗。目前主流的嵌入式微处理器有ARM、MIPS、DSP、PowerPC及x86等。

·存储器。嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和外存。其中，Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列，其主要设计目标是解决存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的访问瓶颈，使处理速度更快、实时性更强。主存位于微处理器的内部，用来存放系统和用户的程序及数据，其片内存储器容量小、速度快。外存用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大，但读取速度与内存相比慢很多，用来长期保存用户的信息。

·通用设备接口和I/O接口。嵌入式系统和外界交互时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或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常只有单一的功能，它可以位于芯片外，也可以内置在芯片中。外设的种类很多，从简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备等。

2.驱动层

驱动层是嵌入式系统中不可缺少的重要部分，使用任何外部设备都需要有相应的驱动层程序的支持，它为上层软件提供设备的操作接口。上层软件无须理会设备的具体内部操作，只需调用驱动层程序提供的接口即可。驱动层程序一般包含硬件抽象层（HAL）、板级支持包（BSP）和设备驱动程序。其中BSP实现的功能一般包含如下两方面：

·系统启动时，完成对硬件的初始化。例如，对系统内存、寄存器以及设备的中断进行设置，即根据嵌入式开发所选的CPU类型、硬件以及嵌入式操作系统的初始化等多方面决定BSP应具体实现哪些功能。

·为驱动程序提供访问硬件的手段。驱动程序经常要访问设备的寄存器，并对设备寄存器进行操作。如果整个系统为统一编址，则开发人员可直接在驱动程序中用C语言的函数访问设备寄存器。但是，如果系统为单独编址，则C语言就不能直接访问设备的寄存器，只有汇编语言编写的函数才能访问外围设备寄存器。BSP就是为上层驱动程序提供的访问硬件设备寄存器的函数包。

3.操作系统层

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）是一种用途广泛的系统软件，主要负责嵌入式系统全部软硬件资源的分配及调度工作，并控制、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。

相对于一般操作系统而言，EOS除具备一般操作系统的基本功能（如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等）外，还具有以下特点：

·强实时性。EOS的实时性一般较强，可用于各种设备控制中。

·可装卸性。具有开放性、可伸缩性的体系结构。

·统一的接口。提供各种设备的驱动接口。

·提供强大的网络功能，支持MIL-STD-1553B、ARINC429/629、TCP/IP及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPP支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。

·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，这就要求负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。

·固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用。

·可提供操作简便、友好的GUI，图形界面易学易用。

·更好的硬件适应性，即良好的可移植性。

目前国际上常用于嵌入式系统开发的EOS有40余种，市场上占主流的EOS包括VxWorks、Palm OS、Windows CE、pSOS、QNX、μC/OS-Ⅱ、Symbian及嵌入式Linux等。

4.应用层

应用层作为嵌入式系统的顶层，主要由多个相对独立的应用任务组成，直接与最终用户进行交互，一般是根据用户的特定需求量身定做和开发，每个应用任务完成特定的功能，如I/O任务、计算任务、通信任务、UI交互等，由嵌入式操作系统统一调度各个任务的运行。

应用层涉及用户体验，直接关系到用户需求是否得到准确实现。应用层的设计质量直接决定了整个嵌入式产品的成败，因此对质量和可靠性具有很高的要求。 BHRCGfrO1WOvmWwbY7JHJKVsqhKM8EV8X+C/IQnqmhgewAYF1X2jOLgUdllg0MVL