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嵌入式系统软硬件架构和开发流程

摘要：嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备

的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入

式处理器控制板。本文嵌入式系统软硬件架构和开发流程进行探

讨。

关键词：嵌入式；软硬件架构；开发

1．嵌入式系统定义

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的

一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌

入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手

表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入

式系统还包含操作系统，有些嵌入式系统是由单个程序实现整

个控制逻辑（裸跑）。嵌入式系统是软件和硬件的综合体，软

硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功

耗等严格要求的专用计算机系统。

2．嵌入式系统的构成

2.1硬件层

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、

Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O

等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和

存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系

统和应用程序都可以固化在ROM中。

微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系

结构；指令系统可以选用精简指令系统和复杂指令系统。RISC

计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行

每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得

更为简单。全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系

结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、

PowerPC、X86等。

嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的

存储器包含Cache、主存和辅助存储器等。Cache是一种容量

小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之

间，存放的是一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。

在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读

取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性

能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主

要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器

内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。

在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可

分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不

同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集

成进去。

主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系

统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，

其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器

容量小，速度快，片外存储器容量大。

辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容

量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户

的信息。

嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D、D/A，I/O接

口，RS-232接口、Ethernet、USB、音频接口、VGA视频输出

接口、现场总线、串行外围设备接口和红外线接等。

2.2中间层

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层或板级

支持包，它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底

层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件

的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。该层一般

包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设

备的配置功能。BSP具有以下两个特点。

实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层

次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一

个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化

以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。

2.3软件层

系统软件层由实时多任务操作系统、文件系统、图形用户

接口、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件

的基础和开发平台。

应用软件层是由基于实时系统开发的应用程序组成，用来

实现对被控对象的控制功能。功能层是要面对被控对象和用

户，为方便用户操作