預(yù)熱物聯(lián)網(wǎng)，重溫嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識
在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如火如荼的今天，嵌入式開發(fā)重新得到了廣大IT從業(yè)人員的關(guān)注。那么，什么是嵌入式系統(tǒng)?嵌入式系統(tǒng)由哪幾部分組成?嵌入式系統(tǒng)的特點都有哪些?嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程是怎樣的?本文將帶領(lǐng)大家重溫這些基礎(chǔ)知識。
一、嵌入式系統(tǒng)簡介
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于消費電子、智能家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、醫(yī)療儀器、航天設(shè)備、工業(yè)控制等行業(yè)中。
二、嵌入式系統(tǒng)組成
一個嵌入式系統(tǒng)一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。
下面，我們來了解一下嵌入式計算機系統(tǒng)的各個部分。
1. 硬件層
硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器(RAM、ROM、Flash等)、通用設(shè)備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一塊嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。
嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，它與通用CPU***的不同在于它大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。
嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)(Reduced Instruction Set Computer，RISC)和復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC(Complex Instruction Set Computer，CISC)。嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。
嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。
Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列，它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù);在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率;Cache的主要目標(biāo)就是：減小存儲器(如主存和輔助存儲器)給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強;在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定，一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。
主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù);它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。
輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息;嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。
嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的無線設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口)，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網(wǎng)接口)、USB(通用串行總線接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現(xiàn)場總線)、SPI(串行外圍設(shè)備接口)和IrDA(紅外線接口)等。
2. 中間層
硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層(Hardware Abstract Layer，HAL)或板級支持包(Board Support Package，BSP)，它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。
BSP具有以下兩個特點：
***，硬件相關(guān)性。因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。
第二，操作系統(tǒng)相關(guān)性。不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。
實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊，它的一個主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。
3. 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件
系統(tǒng)軟件層由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real-time Operation System，RTOS)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(Graphic User Interface，GUI)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。
嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System，EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具有了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，還有以下功能：如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等。
嵌入式文件系統(tǒng)比較簡單，主要提供文件存儲、檢索和更新等功能，一般不提供保護和加密等安全機制。它以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要有：1)設(shè)置、修改對文件和目錄的存取權(quán)限;2)提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù);3)提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。文件系統(tǒng)的特點：1)兼容性;2)實時文件系統(tǒng);3)可裁剪、可配置;4)支持多種存儲設(shè)備。
嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面，一般采用下面的幾種方法實現(xiàn)：1)針對特定的圖形設(shè)備輸出接口，自行開發(fā)相關(guān)的功能函數(shù);2)購買針對特定嵌入式系統(tǒng)的圖形中間軟件包;3)采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng);4)使用獨立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產(chǎn)品。
應(yīng)用軟件層是由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來實現(xiàn)對被控對象的控制功能。功能層是要面對被控對象和用戶，為方便用戶操作，往往需要提供一個友好的人機界面。對于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計的初期階段就要對系統(tǒng)的需求進行分析，確定系統(tǒng)的功能，然后將系統(tǒng)的功能映射到整個系統(tǒng)的硬件、軟件和執(zhí)行裝置的設(shè)計過程中，稱為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。
三、嵌入式系統(tǒng)特點
嵌入式系統(tǒng)的特點包括：系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強、系統(tǒng)精簡、實時性等。具體而言，它主要有如下八個特點：
1)可裁剪性。支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。
2)強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設(shè)備控制中。
3)統(tǒng)一的接口。提供設(shè)備統(tǒng)一的驅(qū)動接口。
4)操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI和圖形界面，追求易學(xué)易用;提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設(shè)備預(yù)留接口。
5)強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)、這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。
6)固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。
7)更好的硬件適應(yīng)性。也就是良好的移植性。
8)嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。
四、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程
嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)分為不帶操作系統(tǒng)(裸機開發(fā))和帶操作系統(tǒng)的開發(fā)兩種。裸機開發(fā)是指對于功能簡單僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序。帶操作系統(tǒng)的開發(fā)是由一個操作系統(tǒng)(OS)來管理控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等。
通?；贚inux系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)步驟有如下七步：
1)開發(fā)目標(biāo)硬件系統(tǒng)：如選擇微處理器、Flash及其它外設(shè)等。
2)建立交叉開發(fā)環(huán)境：安裝交叉編譯工具鏈、安裝開發(fā)調(diào)試工具。
3)開發(fā)Bootloader：移植uboot。
4)移植Linux內(nèi)核：如Linux 3.0.25內(nèi)核。
5)開發(fā)根文件系統(tǒng)：如CRAMFS，YAFFS等。
6)開發(fā)相關(guān)硬件的驅(qū)動程序：如led，adc等驅(qū)動。
7)開發(fā)上層的應(yīng)用程序：如QT GUI開發(fā)。
五、嵌入式系統(tǒng)初始化
嵌入式系統(tǒng)初始化過程可以分為3個主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。
片級初始化完成嵌入式微處理器的初始化，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。
板級初始化完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。另外，還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程。
系統(tǒng)級初始化以軟件初始化為主，主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP(中間層)將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。***，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。
【本文是51CTO專欄作者周兆熊的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號：周氏邏輯(logiczhou)】
