嵌入式系統 .rar
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2010-7-21 14:56 上傳
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四、嵌入式系統的組成
4.1、簡(jiǎn)介
一個(gè)嵌入式系統裝置一般都由嵌入式計算機系統和執行裝置組成，如圖1-1 所示，嵌入式計算機系統是整個(gè)嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。執行裝置也稱(chēng)為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統發(fā)出的控制命令，執行所規定的操作或任務(wù)。執行裝置可以很簡(jiǎn)單，如手機上的一個(gè)微小型的電機，當手機處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開(kāi)；也可以很復雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個(gè)微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執行各種復雜的動(dòng)作和感受各種狀態(tài)信息。
下面對嵌入式計算機系統的組成進(jìn)行介紹。
4.2、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(shí)鐘電路和存儲器電路，就構成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統和應用程序都可以固化在ROM 中。
4.2.1、嵌入式微處理器
嵌入式系統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(hù)群所專(zhuān)用設計的系統中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統在設計時(shí)趨于小型化，同時(shí)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；指令系統可以選用精簡(jiǎn)指令系統（Reduced Instruction Set Computer ，RISC）和復雜指令系統CISC （Complex Instruction Set Computer ，CISC）。RISC 計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數據通道快速執行每一條指令，從而提高了執行效率并使CPU 硬件結構設計變得更為簡(jiǎn)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(shí)鐘頻率和數據總線(xiàn)寬度，或集成了不同的外設和接口。據不完全統計，目前全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過(guò)1000 多種，體系結構有30 多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC 、X86 和SH 等。但與全球PC 市場(chǎng)不同的是，沒(méi)有一種嵌入式微處理器可以主導市場(chǎng)，僅以32 位的產(chǎn)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具體的應用而決定的。
4.2.2、存儲器
嵌入式系統需要存儲器來(lái)存放和執行代碼。嵌入式系統的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。
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(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數據。在需要進(jìn)行數據讀取操作時(shí)，微處理器盡可能的從Cache中讀取數據，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統的性能，提高了微處理器和主存之間的數據傳輸速率。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(fǎng)問(wèn)瓶頸，使處理速度更快，實(shí)時(shí)性更強。
在嵌入式系統中Cache全部集成在嵌入式微處理器內，可分為數據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(huì )把Cache集成進(jìn)去。
2>主存
主存是嵌入式微處理器能直接訪(fǎng)問(wèn)的寄存器，用來(lái)存放系統和用戶(hù)的程序及數據。它可以位于微處理器的內部或外部，其容量為256KB~1GB，根據具體的應用而定，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(lèi) NOR Flash、EPROM和PROM等。
RAM類(lèi) SRAM、DRAM和SDRAM等。
其中NOR Flash 憑借其可擦寫(xiě)次數多、存儲速度快、存儲容量大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域內得到了廣泛應用。
3>輔助存儲器
輔助存儲器用來(lái)存放大數據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(lái)長(cháng)期保存用戶(hù)的信息。
嵌入式系統中常用的外存有：硬盤(pán)、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。
4.2.3、通用設備接口和I/O接口
嵌入式系統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(guò)和片外其他設備的或傳感器的連接來(lái)實(shí)現微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以?xún)戎眯酒�。外設的種類(lèi)很多，可從一個(gè)簡(jiǎn)單的串行通信設備到非常復雜的802.11無(wú)線(xiàn)設備。
目前嵌入式系統中常用的通用設備接口有A/D （模/ 數轉換接口）、D/A （數/ 模轉換接口），I/O 接口有RS-232 接口（串行通信接口）、Ethernet （以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線(xiàn)接口）、音頻接口、VGA 視頻輸出接口、I2C （現場(chǎng)總線(xiàn)）、SPI （串行外圍設備接口）和IrDA （紅外線(xiàn)接口）等。
4.3、中間層
硬件層與軟件層之間為中間層，也稱(chēng)為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統上層軟件與底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統的底層驅動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)，上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據BSP 層提供的接口即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。BSP具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。
硬件相關(guān)性：因為嵌入式實(shí)時(shí)系統的硬件環(huán)境具有應用相關(guān)性，而作為上層軟
件與硬件平臺之間的接口，BSP 需要為操作系統提供操作和控制具體硬件的方法。
操作系統相關(guān)性：不同的操作系統具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統具有特定的硬件接口形式。
實(shí)際上，BSP是一個(gè)介于操作系統和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設計一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統的硬件初始化以及BSP功能，設計硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)。
4.3.1、嵌入式系統硬件初始化
系統初始化過(guò)程可以分為3個(gè)主要環(huán)節，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(xiàn)模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時(shí)的默認狀態(tài)逐步設置成系統所要求的工作狀態(tài)。這是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)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據結構和參數，為隨后的系統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(gè)同時(shí)包含軟硬件兩部分在內的初始化過(guò)程。
系統初始化
該初始化過(guò)程以軟件初始化為主，主要進(jìn)行操作系統的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權轉交給嵌入式操作系統，由操作系統完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無(wú)關(guān)的設備驅動(dòng)程序，建立系統內存區，加載并初始化其他系統軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò )系統、文件系統等。最后，操作系統創(chuàng )建應用程序環(huán)境，并將控制權交給應用程序的入口。
4.3.2、硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)程序
BSP的另一個(gè)主要功能是硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)。硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)程序的初始化通常是一個(gè)從高到低的過(guò)程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)程序，但是這些設備驅動(dòng)程序通常不直接由BSP使用，而是在系統初始化過(guò)程中由BSP將他們與操作系統中通用的設備驅動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)，并在隨后的應用中由通用的設備驅動(dòng)程序調用，實(shí)現對硬件設備的操作。與硬件相關(guān)的驅動(dòng)程序是BSP設計與開(kāi)發(fā)中另一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節。
【4-7】 | 
發(fā)表于 2010-7-21 14:56:35
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