嵌入式系統(tǒng)的核心：嵌入式計算機系統(tǒng)

    一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。

    下面對嵌入式計算機系統(tǒng)的組成進行介紹。

    1）硬件層

    硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應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用設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

    嵌入式微處理器的體系結構可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結構；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計算機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硬件結構設計變得更為簡單。

    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鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種，體系結構有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導市場，僅以32位的產品而言，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)具體的應用而決定的。

    (2)存儲器

    嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器，其存儲結構如圖1-2所 示。

    1>Cache

    Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列它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(shù)據(jù)。在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，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的主要目標就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。

    在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內，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把Cache集成進去。

    2>主存

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

    常用作主存的存儲器有：

    ROM類 NOR Flash、EPROM和PROM等。

    RAM類 SRAM、DRAM和SDRAM等。

    其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領域內得到了廣泛應用。

    3>輔助存儲器

    輔助存儲器用來存放大數(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，用來長期保存用戶的信息。

    嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

    (3)通用設備接口和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備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過和片外其他設備的或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內置芯片中。外設的種類很多，可從一個簡單的串行通信設備到非常復雜的802.11無線設備。

    目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D（模/數(shù)轉換接口）、D/A（數(shù)/模轉換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

    2）中間層

    硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅動程序與硬件無關，上層軟件開發(fā)人員無需關心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。

    硬件相關性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應用相關性，而作為上層軟 件與硬件平臺之間的接口，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)相關性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

    實際上，BSP是一個介于操作系統(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。設計一個完整的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，設計硬件相關的設備驅動。

    (1)嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

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

    片級初始化

    完成嵌入式微處理器的初始化，包括設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。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認狀態(tài)逐步設置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。

    板級初始化

    完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設備的初始化。另外，還需設置某些軟件的數(shù)據(jù)結構和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟硬件兩部分在內的初始化過程。

    系統(tǒng)初始化

    該初始化過程以軟件初始化為主，主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權轉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關的設備驅動程序，建立系統(tǒng)內存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網絡系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應用程序環(huán)境，并將控制權交給應用程序的入口。

    (2)硬件相關的設備驅動程序

    BSP的另一個主要功能是硬件相關的設備驅動。硬件相關的設備驅動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。盡管BSP中包含硬件相關的設備驅動程序，但是這些設備驅動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設備驅動程序關聯(lián)起來，并在隨后的應用中由通用的設備驅動程序調用，實現(xiàn)對硬件設備的操作。與硬件相關的驅動程序是BSP設計與開發(fā)中另一個非常關鍵的環(huán)節(jié)。

    3）系統(tǒng)軟件層

    系統(tǒng)軟件層由實時多任務操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網絡系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。