嵌入式系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)和軟件層次結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它具有一般計(jì)算機(jī)組成的共性，也是由硬件和軟件組成。本文完整地描述了嵌入式系統(tǒng)的軟硬件各部分的組成結(jié)構(gòu)。

嵌入式系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，是以嵌入式處理器為中心，由存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊以及電源等必要的輔助接口組成。嵌入式系統(tǒng)是量身定做的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，又不同于普通計(jì)算機(jī)組成，在實(shí)際應(yīng)用中的嵌入式系統(tǒng)硬件配置非常精簡(jiǎn)，除了微處理器和基本的外圍電路以外，其余的電路都可根據(jù)需要和成本進(jìn)行裁剪、定制，非常經(jīng)濟(jì)、可靠。

嵌入式系統(tǒng)的硬件核心是嵌入式微處理器，有時(shí)為了提高系統(tǒng)的信息處理能力，常外接DSP和DSP協(xié)處理器（也可內(nèi)部集成），以完成高性能信號(hào)處理。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展及納米芯片加工工藝技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的集成多種功能的SoC系統(tǒng)芯片已成為嵌入式系統(tǒng)的核心。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要盡可能地滿(mǎn)足系統(tǒng)功能接口的SoC芯片。這些SoC集成了大量的外圍USB、、以太網(wǎng)、AD/DA、IIS等功能模塊。

可編程片上系統(tǒng)SOPC（ On Programmable ）結(jié)合了SoC和PLD、各自的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有可編程的功能，是可編程邏輯器件在嵌入式應(yīng)用中的完美體現(xiàn)，極大地提高了系統(tǒng)的在線升級(jí)、換代能力。

以SoC/SOPC為核心，用最少的外圍部件和連接部件構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能需求，這也是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向。

因此，嵌入式設(shè)計(jì)是以處理器/SoC/SOPC為核心來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，其外圍接口包括存儲(chǔ)設(shè)備、通信擴(kuò)展設(shè)備、擴(kuò)展設(shè)備接口和輔助的機(jī)電設(shè)備（電源、、等），構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，可能就需要一個(gè)操作系統(tǒng)（OS）來(lái)管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等。依據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來(lái)編寫(xiě)應(yīng)用程序，可大大減少應(yīng)用程序員的負(fù)擔(dān)。

對(duì)于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般包含4個(gè)層面：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序接口API層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)?。有些?shū)籍將應(yīng)用程序接口API歸屬于OS層，嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，是按3層劃分的。由于硬件電路的可裁剪性和嵌入式系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，其軟件部分也是可裁剪的。

對(duì)于功能簡(jiǎn)單，僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)，一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。高性能嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，操作系統(tǒng)的使用成為必然發(fā)展趨勢(shì)。本小節(jié)主要講述的是具有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次。

1.驅(qū)動(dòng)層程序

驅(qū)動(dòng)層程序是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要部分，使用任何的外部設(shè)備都需要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)層程序的支持，它為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口。上層軟件不會(huì)理會(huì)設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)層程序提供的接口即可。驅(qū)動(dòng)層程序一般包含硬件抽象層HAL、板級(jí)支持包BSP和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

板級(jí)支持包實(shí)現(xiàn)的功能大體有以下兩個(gè)方面：

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，完成對(duì)硬件的初始化。例如，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存、寄存器以及設(shè)備的中斷進(jìn)行設(shè)置。這是比較系統(tǒng)化的工作，它要根據(jù)嵌入式開(kāi)發(fā)所選的CPU類(lèi)型、硬件以及嵌入式操作系統(tǒng)的初始化等多方面決定BSP應(yīng)實(shí)現(xiàn)什么功能。

為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件的手段。驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常要訪問(wèn)設(shè)備的寄存器，對(duì)設(shè)備的寄存器進(jìn)行操作。如果整個(gè)系統(tǒng)為統(tǒng)一編址，則開(kāi)發(fā)人員可直接在驅(qū)動(dòng)程序中用C語(yǔ)言的函數(shù)訪問(wèn)設(shè)備寄存器。但是，如果系統(tǒng)為單獨(dú)編址，則C語(yǔ)言就不能直接訪問(wèn)設(shè)備中的寄存器，只有匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)才能進(jìn)行對(duì)外圍設(shè)備寄存器的訪問(wèn)。BSP就是為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。