【正文】 系統(tǒng)安全，使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。 (4) 軟件固化。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存儲(chǔ)于磁盤等載體中。軟件固化是嵌入式軟件的基本要求，同時(shí)要求軟件代碼具有高質(zhì)量、高可靠性和高實(shí)時(shí)性。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (5) 開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也不能對(duì)其中的程序和電路進(jìn)行修改，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是通用計(jì)算機(jī)、專用的嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)以及各種邏輯分析儀、示波器、信號(hào)源等。開(kāi)發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開(kāi)發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開(kāi)發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)是一種特殊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，早期嵌入式系統(tǒng)自底向上主要由硬件環(huán)境、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等三層組成。硬件環(huán)境層是整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，通常，不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)不同的硬件環(huán)境。為了便于操作系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)的硬件上移植，微軟提出了將操作系統(tǒng)底層與硬件相關(guān)的部分單獨(dú)抽象出來(lái)，設(shè)計(jì)成單獨(dú)的硬件抽象層 (Hardware Abstraction Layer， HAL)的思想。它通過(guò)硬件抽象層接口設(shè)計(jì)，向操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)。硬件抽象層這個(gè)中間層的引入，屏蔽了底層硬件的多樣性， 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 操作系統(tǒng)不再直接面對(duì)具體的硬件環(huán)境，而是面向由這個(gè)中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺(tái)性。目前，在嵌入式領(lǐng)域中， HAL通常是以板級(jí)支持包 (Board Support Package， BSP)的形式實(shí)現(xiàn)的。這樣，原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化為如圖 所示的四層結(jié)構(gòu)。然而，目前 BSP形式的硬件抽象層還不能解決大多數(shù)操作系統(tǒng)移植和跨平臺(tái)問(wèn)題。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 圖 嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 硬件層 嵌入式系統(tǒng)的硬件層結(jié)構(gòu)如圖 ，它主要包括嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、模擬電路及電源、接口控制器及插件等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 圖 嵌入式系統(tǒng)硬件層結(jié)構(gòu)圖 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 1. 嵌入式處理器 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，其品種總量已經(jīng)超過(guò) 1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有 30多個(gè)系列，其中 8051系列占多半。生產(chǎn) 8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有 20多個(gè)，共 350多個(gè)衍生產(chǎn)品，僅 Philips就有近 100種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。 嵌入式處理器的尋址空間一般從 64 KB到 16 MB，處理速度從 MIPS到 2022 MIPS，常用封裝從 8個(gè)引腳到 144個(gè)引腳。嵌入式微處理器一般具備以下四個(gè)特點(diǎn)： 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (1) 對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間。 (2) 具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。 (3) 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，可以滿足快速開(kāi)發(fā)最高性能的嵌入式系統(tǒng)的要求。 (4) 嵌入式微處理器的功耗很低，很多產(chǎn)品的功耗只在毫瓦甚至微瓦級(jí)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式處理器的分類一般有兩種。一是按功能特點(diǎn)分類，可分為嵌入式微控制器 (MicroController Unit， MCU)、嵌入式微處理器 (Embedded MicroProcessor Unit， EMPU)、嵌入式 DSP處理器 (Embedded Digital Signal Processor， EDSP)和嵌入式片上系統(tǒng) (System On Chip， SOC)；二是按數(shù)據(jù)總線的位數(shù)分類，可分為 4位機(jī)、 8位機(jī)、 16位機(jī)、 32位機(jī)和 64位機(jī)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 1) 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM、 RAM、總線、總線邏輯、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 WatchDog、 I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、 A/D、 D/A、 Flash等各種必要的功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少功耗和成本。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括 805 P51XA、 MCS25 MCS96/196/29C166/16 MC68HC05/11/12/1 68300等。另外還有許多半通用系列，如支持 USB接口的 MCU 8XC930/93 C5C541，支持 I2C、 CANBus、 LCD及眾多的專用 MCU和兼容系列。目前 MCU占嵌入式系統(tǒng)約 70%的市場(chǎng)份額。 值得注意的是，近年來(lái)提供 X86微處理器的著名廠商AMD公司將 Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為 Micro Controller； Motorola公司把以 Power PC為基礎(chǔ)的 PPC505和PPC555也列入單片機(jī)行列； TI公司亦將其 TMS320C2XXX系列 DSP作為 MCU進(jìn)行推廣。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 2) 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的 CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)的體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本一樣，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且在電路板上必須包括 ROM、 RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)保密性。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)，如STDBUS、 PC104等。近年來(lái)，德國(guó)、日本的一些公司又開(kāi)發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計(jì)算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 目前，嵌入式處理器主要有 Am186/8 386EX、 SC400、 Power PC、 Motorola 68000、 MIPS、 ARM系列等。在32位嵌入式處理器市場(chǎng)主要有 Motorola、 ARM、 MIPS、 TI、Hitachi等公司。有些生產(chǎn)通用微處理器的公司，像 Intel、Sun和 IBM等，也生產(chǎn)嵌入式微處理器。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 3) 嵌入式 DSP處理器 EDSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、 FFT、頻譜分析等領(lǐng)域， DSP應(yīng)用正由用通用單片機(jī)以普通指令實(shí)現(xiàn) DSP功能，過(guò)渡到采用嵌入式 DSP處理器。嵌入式 DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源：一是 DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、 EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式 DSP處理器， TI的 TMS320C2022/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或 SOC中增加 DSP處理器，例如 Intel的 MCS296和Infineon(Siemens)的 TriCore。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式 DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 TI的 TMS320系列和 Motorola的 DSP56000 系列。 TMS320系列處理器包括用于控制的 C2022系列，用于移動(dòng)通信的 C5000系列，以及性能更高的 C6000和 C8000系列。 DSP56000系列目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000、 DSP56100、 DSP56200和 DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外 Philips公司也推出了一些新型的嵌入式 DSP處理器。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 4) 嵌入式片上系統(tǒng) 隨著 EDA的推廣、 VLSI設(shè)計(jì)的普及和半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)代已來(lái)臨，這就是嵌入式片上系統(tǒng)。各種通用處理器內(nèi)核將作為 SOC設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分都可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括 Infineon的 TriCore， Motorola的 MCore，某些 ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的 Neuron芯片等。專用 SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是 Philips的 Smart XA，它將 XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過(guò) 2048位復(fù)雜 RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載 Java或 C語(yǔ)言的專用的 SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如 Inter安全方面。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 2. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是否“聰明”不僅取決于 CPU的性能， 而且在很大程度上還取決于嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量。 一般而言，存儲(chǔ)容量越大，嵌入式系統(tǒng)的性能就越好，反之亦然。 目前的存儲(chǔ)器主要有半導(dǎo)體材料、磁性材料和光介質(zhì)材料三種。存儲(chǔ)器中最小的存儲(chǔ)單位就是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個(gè) CMOS晶體管 (也可為磁性材料或光介質(zhì) )的存儲(chǔ)元，它可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制代碼。由若干個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元，然后再由許多存儲(chǔ)單元組成一個(gè)存儲(chǔ)器。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式系統(tǒng)中以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為多。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器種類很多，從存、取功能上可以分為只讀存儲(chǔ)器 (ReadOnly Memory， ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器 (Random Access Memory，RAM)、可編程存儲(chǔ)器 (Programmable ReadOnly Memory，PROM)、可擦除的可編程 ROM(Erasable Programmable ReadOnly Memory， EPROM)、閃存 (Flash Memory)、鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)等幾種不同類型。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 3. 常用的接口總線 嵌入式系統(tǒng)中常用的總線主要可分為兩大類，即并行總線和串行總線。常用的并行總線如下： ① ?CPU并行總線； ② 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu) (Industry Standard Architecture， ISA)總線； ③ 外部設(shè)備互連 (Peripheral Component Interconnect，PCI)總線。 常用的串行總線較多，主要有如下幾種： ① 通用異步接收與傳輸 (Uiversal Asynchronous Receiver/Transmitter， UART)總線； 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 ② 串行通信接口 (Serial Communication Interface， SCI)總線； ③ 串行外設(shè)接口 (Serial Peripheral Interface， SPI)總線； ④ 內(nèi)部集成電路 (InterIC， I2C)總線； ⑤ IEEE 1394總線、 USB總線； ⑥ RS232總線、 RS485總線； ⑦ 控制器區(qū)域網(wǎng) (Controller Area Network， CAN)總線； ⑧ 單總線 (1Wire)和局域互連網(wǎng)絡(luò)(Local Interconnect Network， LIN)總線。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 這些總線在速度、物理接口要求和通信方法上都有所不同。串行總線與并行總線相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于總線線數(shù)少，這有利于減小系統(tǒng)的復(fù)雜性。 軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可以分為兩種：一是無(wú)操作系統(tǒng)支持的程序結(jié)構(gòu)；二是基于 RTOS的程序結(jié)構(gòu)。以一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，假設(shè)要求完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、鍵盤輸入、 LCD顯示、打印等功能的軟件工作。 第 1章