文章目录

  • 嵌入式系统的组成
  • 硬件层
  • 中间层
  • 系统软件层
  • 应用层


嵌入式系统的组成

嵌入式系统可以分为：硬件层、中间层、系统软件层 和 应用软件层 4 个层次。



硬件层

硬件层的结构如下：

嵌入式 软件 架构 嵌入式软件架构分层_嵌入式 软件 架构

嵌入式的硬件层主要分为三个部分：嵌入式微处理芯片、嵌入式存储系统 和 嵌入式 I/O 接口；



嵌入式微处理芯片

主要包括：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器、嵌入式片上系统等；嵌入式微处理器与通用 CPU 最大的区别在于将 CPU 中需要需要外部设备来完成的任务集成到了芯片内部。

  • 嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心部分；
  • 微处理器最大的特点是：集成化、体积小、功耗小、成本低、稳定性高；
  • 不同微处理器的体系结构不一样，主要分为冯诺依曼和哈弗结构；
  • 即使同一体系结构的微处理器使用的时钟频率、数据总线宽度、集成的外设和接口也会不一样；


嵌入式存储器系统

主要包括：程序存储器、数据存储器和参数存储器，主要以 Cache、ROM、RAM、Flash、SD卡等；

  • Cache，又叫高速缓冲存储器，是主存和处理器内核之间的一种容量小、速度快的存储器阵列，相当于在主存和内核之间构建了一条缓冲带。主要用于存放最近一段时间内核微处理器用到最多的指令和数据；Cache 分为指令 Cache 和 数据 Cache，微处理器尽量从 Cache 中读取指令和数据，减小在主存读取数据和指令的次数。Cache 存在提高了系统数据传输率和性能；
  • 主存储器：主要用来存放用户的程序和数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存储器。主存储器可以位于处理器内部和外部，常用的ROM类存储器为：EEPROM 、PROM；常用的 RAM 类存储器为：SRAM、DRAM、SDRAM等；一般容量较小（$ 256KB – 1G $），读取速度快；
  • 辅助存储器：通常指硬盘、NOR Flash，NAND Flash，CF 卡，SD 卡等，主要用来存放大容量的程序代码或数据。一般容量较大，读取速度慢；


嵌入式I/O接口

嵌入式系统与外接交互所需要的通用设备接口，通常为：

  • GPIO；
  • A/D 转换接口；
  • RS-232接口（串行通信接口）；
  • SPI（串行外围设备接口）；
  • 以太网接口；
  • USB（通用串行总线接口）；
  • I2C（现场总线接口）；
  • 音频接口；
  • VGA视频输出接口；
  • IrDA（红外线接口）；


中间层

中间层也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL） 或者叫板级别支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件层和软件层之间，用于连接软件层和硬件层。

  • BSP 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，为操作系统控制底层硬件提供了接口；
  • BSP 具有硬件相关性和软件相关性：
  • 硬件相关性：是指 BSP 需要和硬件平台相关联，不同硬件环境需要不同的 BSP 控制；
  • 软件相关性：是指 BSP 也要迎合操作系统的接口，不同的操作系统具有不同的硬件操作接口；
  • BSP 有一个很重要的功能是硬件初始化，嵌入式系统硬件初始化自下而上，从硬件到软件分为三个主要环节：片级初始化、板级初始化、系统级初始化；
  • 片级初始化：主要是对微处理器进行初始化，包括：对处理器寄存器(包括数据寄存器和控制寄存器)的初始化，对处理器片内总线的初始化；
  • 板级初始化：主要是对软硬两部分初始化，包括：对非处理器部分的初始化，设置软件系统运行需要的数据结构和参数；
  • 系统初始化：主要是对操作系统和应用软件的初始化。首先，BSP 将处理器的控制权转交给操作系统，操作系统完成初始化，并创建应用程序环境；然后，操作系统将处理器控制权交给应用程序。
  • BSP 中包含硬件相关的设备驱动程序，BSP 一般不直接调用这些驱动程序，而是操作系统通过 BSP 连接驱动程序，最终是应用程序调用操作系统接口使用设备驱动程序，实现对硬件设备的操作；


系统软件层

系统软件层通常包括实时多任务操作系统（Real-Time Operation System, RTOS）、文件系统、图像用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统、通用组件模块。其中， RTOS 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。



RTOS

  • RTOS 的作用：
  • 负责嵌入式系统资源分配（软件/硬件资源）；
  • 任务调度；
  • 同步机制；
  • 中断处理；
  • 文件处理；
  • 提供统一的设备驱动接口；
  • 支持 TCP/IP 协议和其他协议；
  • 提供 GUI 图形化界面操作接口；
  • RTOS 的特点：
  • 强实时性；
  • 可裁剪性；
  • 可移植性；
  • 硬件适应性；
  • 开放性；
  • RTOS 和 应用软件被固化在嵌入式计算机的 ROM 中；


文件系统

嵌入式文件系统建立在 RTOS 之上，一般提供如下功能：

  • 提供基本的文件存储、检索和更新功能；
  • 支持 FAT32、JFFS2、YAFFS等几种标准文件格式；
  • 支持修改文件权限；
  • 支持建立、修改、改变和删除目录等服务；
  • 支持创建、打开、读写、关闭和撤销等服务；

文件系统的特点：

  • 强兼容性；
  • 实时性；
    可裁剪性；


GUI

GUI 为人机交互提供了非常人性化的接口。嵌入式GUI 与 PC 上的 GUI 有着明显的不同，嵌入式的 GUI 具有如下特点：

  • 轻量型；
  • 占用资源少；
  • 高性能；
    -高可靠性；
  • 便于移植；
  • 可配置；


应用层

应用层软件就是根据实际需求开发的应用软件。嵌入式应用软件主要有以下特点：

  • 反应快捷；
  • 占用资源少；
  • 同时方便多用户操作；
  • 也行存在友好的人机界面；