一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成,嵌入式計算機(jī)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(yīng)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(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令,執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單,如手機(jī)上的一個微小型的電機(jī),當(dāng)手機(jī)處于震動接收狀態(tài)時打開;也可以很復(fù)雜,如SONY 智能機(jī)器狗,上面集成了多個微小型控制電機(jī)和多種傳感器,從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。
下面對嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的組成進(jìn)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(shè)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(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路,就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)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(shè)計的系統(tǒng)中,它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)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(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu);指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)(Reduced Instruction Set Computer,RISC)和復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC(Complex Instruction Set Computer,CISC)。RISC計算機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jīng)超過1000多種,體系結(jié)構(gòu)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(dǎo)市場,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(jù)具體的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jìn)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(biāo)就是:減小存儲器(如主存和輔助存儲器)給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸,使處理速度更快,實時性更強(qiáng)。
在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi),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(jìn)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(nèi)部或外部,其容量為256KB~1GB,根據(jù)具體的應(yīng)用而定,一般片內(nèi)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(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)備接口,如A/D、D/A、I/O等,外設(shè)通過和片外其他設(shè)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(shè)通常都只有單一的功能,它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多,可從一個簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。
目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)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(shè)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(qū)動程序與硬件無關(guān),上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況,根據(jù)BSP 層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。
硬件相關(guān)性:因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)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(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。
操作系統(tǒng)相關(guān)性:不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu),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(shè)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(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)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(shè)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(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)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(shè)備的初始化。另外,還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù),為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)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(nèi)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(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)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(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序,建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū),加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊,如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后,操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境,并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。
(2)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序
BSP的另一個主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)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(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序,但是這些設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來,并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用,實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序是BSP設(shè)計與開發(fā)中另一個非常關(guān)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(wù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。
嵌入式計算機(jī)系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的核心
時間:2010-03-29
導(dǎo)語:一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成,嵌入式計算機(jī)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(yīng)用軟件層組成。
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