嵌入式系统组成结构简介

1第二讲嵌入式系统的组成结构本讲提要13254嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的硬件组成嵌入式操作系统涉及的几个关键概念嵌入式系统硬件涉及的几个关键概念嵌入式操作系统2一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及应用软件系统等四个部分组成嵌入式系统的组成结构3嵌入式系统的组成结构处理器存储器输入接口操作系统(驱动程序)应用程序软件子系统硬件子系统嵌入式系统组成输出接口外围设备4嵌入式系统的组成结构硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。嵌入式系统和实际应用对象密切相关，而实际应用非常繁杂，应用也日新月异，很难用一种构架或模型加以描述。我们将主要围绕典型嵌入式系统的硬件组成和软件组成部分加以详细讲述。5应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA图2-1典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存电源管理嵌入式系统的组成结构图作用：防止程序发生死循环（程序跑飞）。工作原理：系统运行后即启动看门狗，开始自动计数，如果到一定时间未清看门狗，看门狗就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。6软件系统软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相关数据(data)及其说明文档(document)。其中：程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。1软件系统软件是一种逻辑实体，具有抽象性。这个特点使它与其它工程对象有着明显的差异。人们可以把它记录在纸上、内存、和磁盘、光盘上，但却无法看到软件本身的形态，必须通过观察、分析、思考、判断，才能了解它的功能、性能等特性。软件产品的特性软件没有明显的制造过程。一旦研制开发成功，就可以大量拷贝同一内容的副本。所以对软件的质量控制，必须着重在软件开发方面下工夫。软件在使用过程中，没有磨损、老化的问题。软件在生存周期后期不会因为磨损而老化，但会为了适应硬件、环境以及需求的变化而进行修改，而这些修改有不可避免的引入错误，导致软件失效率升高，从而使的软件退化。当修改的成本变得难以接受时，软件就被抛弃。软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。这导致了软件移植的问题。软件的开发至今尚未完全摆脱手工作坊式的开发方式，生产效率低。软件是复杂的，而且以后会更加复杂。软件是人类有史以来生产的复杂度最高的工业产品。软件涉及人类社会的各行各业、方方面面，软件开发常常涉及其它领域的专门知识，这对软件工程师提出了很高的要求。软件的成本相当昂贵。软件开发需要投入大量、高强度的脑力劳动，成本非常高，风险也大。现在软件的开销已大大超过了硬件的开销。软件工作牵涉到很多社会因素。许多软件的开发和运行涉及机构、体制和管理方式等问题，还会涉及到人们的观念和心理。这些人的因素，常常成为软件开发的困难所在，直接影响到项目的成败。7嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统软件支撑软件应用软件控制、管理计算机系统的资源嵌入式操作系统嵌入式中间件(CORBA、Java)等等辅助软件开发的工具系统分析设计工具仿真开发工具交叉开发工具测试工具配置管理工具维护工具等面向应用领域手机软件路由器软件交换机软件飞控软件等8嵌入式软件系统的分类从运行平台来分，嵌入式软件可以分为运行在开发平台上的软件：设计、开发、测试工具等。运行在嵌入式系统上的软件：嵌入式操作系统、应用程序、驱动程序及部分开发工具。宿主机目标机9嵌入式软件系统的体系结构硬件应用层驱动层操作系统层中间件层板级初始化FLASH驱动RTC/定时器驱动串口驱动以太网驱动LCD驱动键盘驱动其他驱动内核TCP/IP网络系统文件系统嵌入式GUI电源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向应用领域的中间件应用任务1应用任务2……应用任务n1嵌入式软件系统的体系结构驱动层是直接与硬件打交道的一层，提供对操作系统和应用所需的驱动的支持。该层主要包括三种类型的程序。–板级初始化程序在嵌入式系统上电后初始化系统的硬件环境，包括嵌入式微处理器、存储器、中断控制器、DMA、定时器等的初始化。–与系统软件相关的驱动是操作系统和中间件等所需的驱动程序，要按照系统软件的要求进行开发。目前操作系统内核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微处理器中了，因此操作系统厂商提供的内核驱动一般不用修改。–与应用软件相关的驱动不一定需要与操作系统连接，这些驱动的设计和开发由应用决定。10嵌入式软件运行流程系统升级引导/升级系统系统初始化应用初始化多任务应用上电复位、板级初始化远程升级本地升级•基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要运行流程•该运行流程主要分为5个阶段1嵌入式软件运行流程1）上电复位、板级初始化阶段上电复位后完成板级初始化工作。板级初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用汇编语言实现。不同的嵌入式系统，板级初始化要完成的工作不同，但以下工作一般是必须完成的：CPU中堆栈指针寄存器的初始化。BSS段（BlockStorageSpace,未被初始化的数据）的初始化。CPU芯片级的初始化：中断控制器、内存等的初始化。11BSP的概念和特点BSP（板级支持包）是介于底层硬件和操作系统之间的软件层，它完成系统上电后最初的硬件和软件初始化，并对底层硬件进行封装，使得操作系统不再面对具体的操作。BSP的特点：硬件相关性：因为硬件具有应用相关性，所以，作为高层软件与硬件之间的接口，BSP必须为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，针对不同的操作系统具有特定的接口形式。BoardSupportPackage12BSP的功能完成嵌入式系统部分初始化A、片级初始化B、板级初始化C、系统级初始化完成硬件相关的设备驱动1嵌入式系统初始化过程及BSP功能1完成硬件相关的设备驱动与初始化过程相反，硬件相关的设备驱动程序的初始化和使用通常是一个从高层到低层的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP把它们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。13设计BSP的方法一、以典型的BSP做为参考二、参照操作系统或芯片厂商提供的BSP模板14第二讲嵌入式系统的组成结构13254嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的硬件组成嵌入式操作系统涉及的几个关键概念嵌入式系统硬件涉及的几个关键概念嵌入式操作系统152020/9/30嵌入式处理器存储器输入设备输出设备外围接口软件硬件单元中央处理器是嵌入式系统的核心，负责控制整个系统的执行。包括微处理器、微控制器、DSP处理器、专用处理器、SOC(SystemonChip)存储器按存储信息的功能可分为只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）和随机存储器RAM（RandomAccessMemory）嵌入式系统中的输入形式一般包括触摸屏、语音输入、按键和虚拟键盘等输出设备则主要有LCD显示和语音输出外围接口主要有GPIO、串口、I2C总线、USB总线和IEEE1394总线等等典型嵌入式系统基本组成－硬件16最小硬件系统用最少的元件组成的可以工作的系统1720世纪80年代中后期20世纪90年代初期20世纪90年代中后期21世纪初期制作工艺1-0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主频33MHz100MHz200MHz600MHz晶体管个数500K2M5M22M位数8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit嵌入式微处理器的发展18嵌入式微处理器的特点基础是通用微处理器与通用微处理器相比的区别：‾体积小、重量轻、成本低、可靠性高‾功耗低‾工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强体系结构指令集性能功耗和管理成本集成度19嵌入式微处理器的集成度用于桌面和服务器的微处理器的芯片内部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、总线接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系统总线、外部总线和外部设备独立在其他芯片和电路内。嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，如中断控制器、DMA、定时器、UART等。符合嵌入式系统的低成本和低功耗需求，一块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格更低，功耗更少。单芯片方式(SingleChip)芯片组方式(ChipSet)：由微处理器主芯片和一些从芯片组成20嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括：片内存储器：部分嵌入式微处理器外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口)LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器中断控制器，DMA控制器，协处理器定时器，A/D、D/A转换器多媒体加速器：当高级图形功能需要时总线其他标准接口或外设嵌入式微处理器的体系结构•算术格式（ArithmeticFormat）–由于低成本和低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定点运算（fixed-pointarithmetic），即数值被表示为整数或在－1.0和＋1.0之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版本的芯片便宜。–当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟的方式实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处理器时间。•功能单元（FunctionalUnits）–通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个ALU、移位器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。•流水线（Pipeline）–通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水线21嵌入式微处理器的种类1000多种硬件处理器，分为MCU、DSP、MPU、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）1.ARM1.ARM处理器处理器基于ARM核嵌入式芯片的典型应用主要有：ARMARM应用应用消费娱乐产品数字影像产品军事电子工业控制产品移动存贮无线产品存储产品汽车产品网络产品安全产品典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器1（1）嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器的典型代表是单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。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。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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业应用的主流。它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。22对比嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统硬件尺寸(包括外围)大小小最小功耗大小中中开发难度小大大大软件移植性好坏坏坏成本高最低低中性能强弱较强较强应用领域通用较通用低端专用较通用高端网络能力强弱较弱强实时性差好好一般从计算机角度看单片机功