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。

　　定義：

　　嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統。

　　要點概括：

　　以應用為中心：強調嵌入式系統的目標是滿足用戶的特定需求。就絕大多數完整的嵌入式系統而言，用戶打開電源即可直接享用其功能，無需二次開發或僅需少量配置操作。

　　專用性：嵌入式系統的應用場合大多對可靠性、實時性有較高要求，這就決定了服務于特定應用的專用系統是嵌入式系統的主流模式，它并不強調系統的通用性和可擴展。這種專用性通常也導致嵌入式系統是一個軟硬件緊密集成的最終系統，因為這樣才能更有效地提高整個系統的可靠性并降低成本，并使之具有更好的用戶體驗。

　　以現代計算機技術為核心：嵌入式系統的最基本支撐技術，大致上包括集成電路設計技術、系統結構技術、傳感與檢測技術、嵌入式操作系統和實時操作系統技術、資源受限系統的高可靠軟件開發技術、系統形式化規范與驗證技術、通信技術、低功耗技術、特定應用領域的數據分析、信號處理和控制優化技術等，它們圍繞計算機基本原理，集成進特定的專用設備就形成了一個嵌入式系統。

　　軟硬件可裁剪：嵌入式系統針對的應用場景如此之多，并帶來差異性極大的設計指標要求(功能性能、可靠性、成本、功耗)，以至于現實上很難有一套方案滿足所有的系統要求，因此根據需求的不同，靈活裁剪軟硬件、組建符合要求的最終系統是嵌入式技術發展的必然技術路線。

　　種類

　　嵌入式微處理器

　　嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是以通用計算機中的標準CPU為微處理器，并將其裝配在專門設計的電路板上，且僅保留與嵌入式應用有關的母板功能，構成嵌入式系統。與通用計算機相比，其系統體積和功耗大幅度減小，而工作溫度的范圍、抗電磁干擾能力、系統的可靠性等方面均有提高。

　　在EMPU中，微處理器是整個系統的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術邏輯單元和寄存器。

　　嵌入式微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）又稱單片機。它以某一種微處理器為核心，芯片內部集成有一定容量的存儲器（ROM/EPROM、RAM）、I/O接口（串行接口、并行接口）、定時器/計數器、看門狗、脈寬調制輸出、A/D轉換器、D/A轉換器、總線、總線邏輯等。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化、體積小、功耗低、可靠性較高。微控制器是嵌入式系統工業的主流。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式數字信號處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合執行到DSP算法，編譯效率高，指令執行速度也較快，在數字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法已廣泛應用于嵌入式領域，DSP應用正從在單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用EDSP。

　　嵌入式片上系統

　　嵌入式片上系統（System onChip，SoC）是集系統性能于一塊芯片上的系統組芯片。它通常含有一個或多個微處理器IP核（CPU），根據需求也可增加一個或多個DSP IP核，相應的外圍特殊功能模塊，以及一定容量的存儲器（RAM、ROM）等，并針對應用所需的性能將其設計集成在芯片上，成為系統操作芯片。其主要特點是嵌入式系統能夠運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好，操作系統的內核小，效果好。

　　嵌入方式

　　嵌入式系統是通過把CPU嵌入目標系統或被控系統中起作用的。但是在不同的嵌入式系統中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據嵌入式系統和通用計算機連接關系的密切程度，嵌入形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。

　　全嵌入方式

　　如果采用全嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)可以不依賴于通用計算機系統，即可單獨工作，典型實例有手機、MP4、車載GPS導航系統等。采用全嵌入方式的嵌入式系統有如下特點。

　　(1)具有獨立的處理器系統，且具有完整的輸入/輸出系統，能獨立完成系統的功能。

　　(2)高端CPU支持嵌入式操作系統，可以開發功能復雜的應用程序。

　　(3)一般為便攜式手持式設備，其工作環境一般是無人值守、移動空間、高空或其他條件惡劣的環境。

　　(4)供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統自行設計轉換和穩壓電路。較高端的設備往往會把兩種供電方式結合起來，讓用戶使用起來更加靈活。

　　(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計算機的場合，如消費電子、家用電器、通信網絡設備、工業控制、智能儀器、戰場電子對抗、航天航空武器等，其應用范圍十分廣泛。

　　半嵌入方式

　　如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)需要和通用計算機系統結合起來才能正常工作，典型實例有醫用B超系統、基于PCI卡的數據采集系統等。采用半嵌入方式的嵌入式系統有如下特點。

　　(1)一般沒有獨立的處理器，而是借用通用計算機系統的CPU完成計算和/或控制功能;有時即使具有自己的獨立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統的功能。

　　(2)嵌入式系統只是整個系統的一部分，只能完成整個系統的一部分功能，而其他功能需要在通用計算機上完成。通用計算機利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機操作界面和強大的數據處理能力。

　　(3)嵌入式系統的功能體對前端數據的采集和執行對被控對象的控制，其中的數據分析、處理和存儲等功能由通用計算機系統完成。

　　(4)嵌入式系統一般采用各種規范的總線形式和通用計算機相連接。典型的實例有PCI總線、USB總線等，簡單的嵌入式系統還可以通過串口來連接。

　　(5)嵌入式系統是作為外設連接在通用計算機上的，因此在通用計算機中一般需要提供嵌入式系統的標準驅動程序。