16.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统 (Embedded System) 是为了特定应用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。

16.1.1 嵌入式系统发展历程

五个阶段：

一：单片微型计算机 (SCM) 阶段，即单片机时代。嵌入式系统硬件是 单片机，软件无操作系统，采用汇编语言实现系统的功能。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。

二：微控制器 (MUC) 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。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。

三：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。

四：以 Internet为基础的嵌入式系统。嵌入式网络化主要表现：嵌入式处理器集成了网络接口、嵌入式设备应用于网络环境中。

五：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，两个方向发展：面向端-端系统微型传感 器设备、面向智能服务的设备。

16.1.2 嵌入式系统硬件体系结构

嵌入式系统主要由嵌入式微处理器(控制器 (Micro Control Unit,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。

1.嵌入式微处理器

主要用于处理相关任务。

根据芯片可适应的工作环境温度。芯片分为民用级、工业级和军用级。民用级器件是0_{70℃、工业级是-40}85℃、军用级是-55~150℃。

根据使用场景不同选择不同类型的处理器，大致可分为：

● 微处理器 (Micro Processor Unit,MPU)

● 微控制器 (Micro Control Unit,MCU)

● 信号处理器 (Digital Signal Processor,DSP)

● 图形处理器 (Graphics Processing Unit,GPU)

● 片上系统 (System on Chip,SoC)

2.存储器 (memory)

主要用于存储程序和各种数据信息的记忆部件，是时序逻辑电路的 一种。按存储器的使用类型可分为只读存储器 (ROM) 和随机存储器 (RAM)。

只读存储器用于存储计算机的指令集

随机存储器用于高速暂存数据，断电数据消失

3.内(外)总线逻辑

总线是计算机各种功能部件之间传输信息的公共通信干线，它是由导电组成的传输线束

计算机总线包括数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线 用于在CPU与 RAM之间来回传送需要处理或者需要存储的数据；

地址总线用于指定在RAM之中存储的数据的地址；

控制总线将微处理器控制单元的信号传送到周边设备。

总线存拓扑结构，主要包括星形、树状、环形、总线型和交叉开关型等五种。

按连接部件分类，分为：片内总线、系统总线、局部总线和通信总线等四种。

4.看门狗电路

看门狗电路是嵌入式系统必须具备的一种系统恢复能力。基本功能是在系统发生软件问题和程序跑飞后使系统重新启动。基本原理是看门狗计数器正常工作时自动计数， 程序流程定期将其复位，如果系统在某处卡死或者跑飞，该定时器将溢出，并将进入中断处理， 在设定时间间隔内，系统可保留关键数据，然后系统复位重启。

16.1.3 嵌入式软件架构概述

简单的嵌入式软件架构包括：应用软件、嵌入式操作系统、硬件层。

典型的嵌入式软件架构有两种：层次 化模式架构和递归模式架构。

通用的开放式架构 (Generic Open Architecture,GOA），是一种架构框架，用来解决嵌入式系统的开放性、软件可移植性等问题，以层次化架构风格为主要思想，采用抽象方法，规定软件、硬件和接口的结构，方便在不同应用领域实现系统功能。

架构规定了4种直接接口和4种逻辑接口，用于支持系统的移植和升级，

直接接口：上下层程序间功能可以直接调用

逻辑接口：同层间功能调用采用基于消息的逻辑接口

GOA主要特点：

可移植性

可互操作性

可裁剪性

易获得性