嵌入式系统体系结构

嵌入式系统体系结构

1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。

嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器

Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。

2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).

它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。

设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：

A、 嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。

片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。

板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。

系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。

B、 设计硬件相关的设备驱动。

3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。

RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。

嵌入式芯片体系结构介绍

1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)

嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、

MIPS、ARM/ StrongARM系列等。其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。

Power PC：

由IBM、Apple和Motorola联合开发，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构具有可伸缩性好、方便灵活的特点。主要有以下产品使用Power PC微处理器

苹果公司：Power Macintosh系列、PowerBook系列(1995年以后的产品)、iBook系列、iMac系列(2005年以前的产品)、eMac系列产品。

任天堂：GameCube 和 Wii。

Sony：PlayStation 3

MIPS：

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的'微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司，它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强大的功能。MIPS处理器是八十年代中期RISC CPU设计的一大热点。MIPS是卖的最好的RISC CPU，可以从任何地方，如Sony， Nintendo的游戏机，Cisco的路由器和SGI超级计算机，看见MIPS产品在销售。目前随着RISC体系结构遭到x86芯片的竞争，MIPS有可能是起初RISC CPU设计中唯一的一个在本世纪盈利的。和英特尔相比，MIPS的授权费用比较低，也就为除英特尔外的大多数芯片厂商所采用。

2.嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括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及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。近来Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。

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

DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。根据芯片厂商采用不同的IP核，可以分为以下几类：

StarCore

Freescale

飞思卡尔数字信号处理器采用StarCore技术，是业内最高性能的可编程器件，可满足基带、航空航天、国防、医疗和测试与测量市场的需求。我们设计的StarCore

DSP系列产品提供全面灵活扩展的解决方案，帮助客户加快产品上市。StarCore

DSP具有低功耗、低成本的显著特点，是下一代设计的理想解决方案。通过新一代创新实现更加智能的世界。多核芯片主要包括：MSC8122: 带有以太网的四核16位DSP，MSC8126: 带有以太网、TCOP和VCOP的四核16位DSP，MSC8144: 四核DSP，MSC8152: 高性能双核DSP，MSC8154: 高性能四核DSP，MSC8154E: 带有安全功能的高性能四核DSP，MSC8156: 高性能六核DSP，MSC8156E: 带有安全功能的高性能六核DSP，MSC8157: MSC8157宽带无线接入DSP，MSC8158:

MSC8158宽带无线接入DSP，MSC8252: 高性能双核DSP，MSC8254: 高性能四核DSP，MSC8256: 高性能六核DSP。单核芯片主要包括： MSC8151: 高性能单核DSP，MSC8251: 高性能单核DSP。

4.嵌入式片上系统(System On Chip)

SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一、SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描

述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，一些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片，一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。

1.硬件层

（1）嵌入式微处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS（ Microprocessor without InterlockedPiped Stages，无互锁流水级的微处理器）/Power PC、X86、SH等。

（2）存储器

① Cache： Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列，它位于内存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是近一段时间微处理器使用多的程序代码和数据。在嵌入式系统中，Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache和混合Cache， Cache的大小依不同处理器而定。

②内存：位于微处理器的内部，用来存放系统和用户的程序及数据。片内存储器容量小、速度快。

③外存：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。

（3）通用设备接口和I/O接口

嵌入式系统和外界交互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

设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

目前，嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）等

2.中间层

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（ Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（ Board support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。

3.软件层

软件层由嵌入式操作系统（ Embedded OperaTIon System，EOS）、文件系统、图形用户接口（ Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。EOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。以下先介绍前三种。

（1）嵌入式操作系统

不同功能的嵌入式系统的复杂程度有很大不同。简单的嵌入式系统仅仅具有单一的功能，存储器中的程序就是为了这一功能设计的，其系统处理核心也是单一任务处理器。复杂的嵌入式系统不仅功能强大，往往还配有嵌入式操作系统，如功能强大的智能手机等，几乎具有与微型计算机一样的功能。

嵌入式操作系统（ Embedded OperaTIon System，BOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸一些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着 Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化、应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

（2）文件系统

嵌入式文件系统比较简单，主要提供文件存储、检索、更新等功能，一般不提供保护、加密等安全机制。它以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，主要有设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。

（3）图形用户接口

图形用户接口（GUI）的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用，人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。

4.功能层

功能层也称为应用软件层，应用软件是由基于实时系统开发的应用程序组成，运行在嵌入式操作系统之上，一般情况下与操作系统是分开的。应用软件用来实现对被控制对象的控制功能。功能层是要面对被控对象和用户，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机界面。