系统架构师（第2版）第16章 嵌入式系统架构设计理论与实践.docxVIP

第16章嵌入式系统架构设计理论与实践

嵌入式系统(EmbeddedSystem)是为了特定应用而专门构建的计算机系统，其架构是随着嵌入式系统的逐步应用而发展形成的。嵌入式软件架构的设计与嵌入式系统的体系架构是密不可分的。因此，本章首先介绍嵌入式系统硬件相关知识(系统特征、硬件组成和分类等)。其次，就嵌入式软件的架构设计原理、嵌入式的基础软件、嵌入式架构设计方法等进行详细论述。本章介绍内容对设计嵌入式软件架构非常有益。

16.1嵌入式系统概述

由于嵌入式系统是为了特定应用而专门构建的计算机系统，其嵌入式软件的架构设计必然与嵌入式系统硬件组成紧密相关，了解嵌入式硬件基本知识对嵌入式软件架构设计有非常大的帮助。因此，本章先从嵌入式系统体系结构入手，逐步展开对嵌入式软件架构原理进行剖析，并分别对几类典型的嵌入式基础软件架构进行介绍。

16.1.1嵌入式系统发展历程

嵌入式系统的发展大致经历了五个阶段：第一阶段：单片微型计算机(SCM)阶段，即单片机时代。这一阶段的嵌入式系统硬件是单片机，软件停留在无操作系统阶段，采用汇编语言实现系统的功能。这阶段的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率低、存储容量也十分有限，几乎没有用户接口。

第二阶段：微控制器(MUC)阶段。主要的技术发展方向是：不断扩展对象系统要求的各种外围电路和接口电路，突显其对象的智能化控制能力。这一阶段主要以嵌入式微处理器为基础，以简单操作系统为核心，主要特点是硬件使用嵌入式微处理器、微处理器的种类繁多，通用性比较弱，系统开销小，效率高。

第三阶段：片上系统(SoC)。主要特点是：嵌入式系统能够运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统的内核小，效率高。

第四阶段：以Internet为基础的嵌入式系统。嵌入式网络化主要表现在两个方面，一方面是嵌入式处理器集成了网络接口，另一方是嵌入式设备应用于网络环境中。

第五阶段：在智能化、云技术推动下的嵌入式系统。其特点是低能耗、高速度、高集成、高可信、适用环境广等，此时的嵌入式系统向两个方向发展：一个是面向端-端系统微型传感器设备，一个是面向智能服务的设备。

16.1.2嵌人式系统硬件体系结构

从传统意义上讲，按嵌入式系统主要由嵌入式微处理器(控制器(MicroControlUnit,MCU))、存储器(RAM/ROM)、内(外)总线逻辑、定时/计数器(Time)、看门狗电路、I/O接口(串口、网络、USB、JTAG等)和外部设备(UART、LED等)等部件组成(如图16-1所示)。

1.嵌入式微处理器

嵌入式微处理器主要用于处理相关任务。由于嵌入式系统通常都在室外使用，可能处于不同环境，因此，选择处理器芯片时，也要根据不同使用环境选择不同级别的芯片。其主要因素是芯片可适应的工作环境温度。通常，我们把芯片分为民用级、工业级和军用级。民用级器件的工作温度范围是0~70℃、工业级的是-40~85℃、军用级的是-55~150℃。当然，除了环境温度外，环境湿度、震动、加速度等也是应考虑的因素。

通常嵌入式处理器的选择还要根据使用场景不同选择不同类型的处理器，从处理器分类看，大致可分为：

●微处理器(MicroProcessorUnit,MPU)

●微控制器(MicroControlUnit,MCU)

●信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)

●图形处理器(GraphicsProcessingUnit,GPU)

●片上系统(SystemonChip,SoC)

(1)微处理器(MPU):将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能。与工业控制计算机相比，其优点在于体积小，重量轻，成本低以及可靠性高，但是电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，降低了系统的可靠性，技术必威体育官网网址性也较差。嵌入式微处理器目前主要有：Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

(2)微控制器(MCU):又称单片机。微处理器一般以某一种微处理内核为核心，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置和封装。与MPU相比，MCU的最大优点在于单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器比较有代表性的通用系列包括：8501,P51XA,MCS-251,MCS-96/196/296,C166/167,MC68HC05/11/1