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嵌入式系统的体系结构

嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成:
  • 嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器等形式隐藏在设备内部;
  • 嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件,一般固化在 ROM 或 Flash 中。

嵌入式系统软硬兼施,融为一体,成为产品,但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。

嵌入式系统体系结构
图1:嵌入式系统体系结构

嵌入式系统总体体系结构可以分为四个层次:硬件层、中间件层、系统软件层和应用软件层,如图1所示。

从图中可以看出中间件层、系统软件层和应用软件层都是嵌入式软件的重要组成部分,硬件层当然是嵌入式硬件的领地。如果把一个嵌入式产品的外壳打开,硬件层对应的就是展现在我们面前的 PCB 电路板,上面是各种芯片以及元器件,其中最主要的就是嵌入式处理器。开发时我们关心:上面是什么嵌入式处理器?当前流行的嵌入式处理器有哪些?

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。目前嵌入式处理器主要分为四类:嵌入式微处理器 MPU、嵌入式微控制器 MCU、嵌入式数字信号处理器 DSP 和嵌入式片上系统 SoC。

1. 嵌入式微处理器 MPU

嵌入式处理器就是和通用计算机的微处理器对应的 CPU。在应用中,一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上,在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可,这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。

嵌入式微处理器制造商:摩托罗拉、英特尔、IBM、日立、NEC、东芝、AMD、国1家半导体、Zilog、IDT、富士通、Atmel、太阳、微系统、夏普、Oki、飞利浦等。

主要的嵌入式微处理器包括:Motorola PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86 系列等。

2. 嵌入式微控制器 MCU

嵌入式微控制器又称为单片机,它将 CPU、存储器(少量的 RAM、ROM 或两者都有)和其他外设接口封装在同一片集成电路里。

嵌入式微控制器制造商:摩托罗拉、英特尔、英飞凌科技、Atmel、日立、NEC、三菱、东芝、松下、Microchip、富士、飞利浦、德州仪器、三星、三洋、索尼、Oki、凌阳科技等。

主要的嵌入式微控制器包括:MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、Z8、C540、PIC、AVR 等系列。

3. 嵌入式数字信号处理器 DSP

嵌入式 DSP 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算,提高编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理等领域应用广泛。DSP 正在大量进入嵌入式市场,目前广泛应用的是 TI 产品 TMS320C2000/C5000 系列,另外 Intel 和 Siemens 也有相应的产品。

4. 嵌入式片上系统SoC

SoC(System on Chip)是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统,它追求产品系统最大的 IC 集成,是目前嵌入式广泛应用领域的之一。

SoC 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且 SoC 具有极高的综合性,在一个硅片内部运用 VHDL 等硬件描述语言,实现一个复杂的系统。

用户不需要再像传统的系统设计一样,绘制庞大复杂的电路板,一点点的连接焊制,只需要使用精确的语言,综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准,然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产了。由于绝大部分系统构件都在系统内部,整个系统就特别简洁,不仅减小了系统的体积和功耗,而且提高了系统的可靠性,提高了设计生产效率。

SoC 现在应用十分广泛,读者熟悉的 iPhone 6 采用的处理是 2GHz 双核 64 位 A8,就是 SoC,其实现在主流架构的芯片厂商都有自己的 SoC 产品在应用,比如,三星 Exynos 5433、高通骁龙系列 SoC、TI OMAP 系列 SoC、英特尔 Quark 系列 SoC 等。

嵌入式软件体系结构包含三个层次:中间件层、系统软件层和应用软件层。其中,中间件层和系统软件层的工作由底层软件工程师开发,应用软件层的工作由应用软件工程师开发。

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