【系统架构师】-第16章-嵌入式系统架构设计理论与实践

1、嵌入式系统发展

第一阶段：单片微型计算机 (SCM) 阶段，即单片机时代，五操作系统

第二阶段：微控制器 (MUC) 阶段，有简单操作系统

第三阶段：片上系统 (SoC)，兼容各种微处理器

第四阶段：以Internet为基础的嵌入式系统，嵌入式网络化

第五阶段：在智能化、云技术推动下的嵌入式系统

2、嵌入式硬件体系结构

嵌入式微处理器(控制器 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 )

 外 部 设 备 (UART、LED等)

1、嵌入式微处理器

● 微处理器 (Micro Processor Unit,MPU)

由通用计算机中的CPU演变而来

相当于大脑，主要有：Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM

● 微控制器 (Micro Control Unit,MCU)

又称单片机，以一种MPU为核心

● 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)

定义出整个应用系统，标准的V H D L等语言描述

2、存储器

1、RAM(Random Access Memory, 随机存取存储器)

操作系统和应用程序的所有正在运行的数据和程序都会放置其中，并且随时可以对存放在里面的数据进行修改和存取。

由持续的电力提供，一旦系统断电，存放在里面的所有数据和程序都会自动清空掉，并且再也无法恢复

分类：

DRAM(Dynamic RAM, 动态随机存取存储器)

SRAM(Static RAM, 静态随机存取存储器)

VRAM(Video RAM, 视频内存)

SDRAM(Synchronous DRAM, 同步动态随机存取存储器)：与 C P U实现外频Clock同步的内存模式

2、ROM(Read Only Memory, 只读存储器)

其中的代码与数据将永久保存，并且不能够进行修改。一般应用于 P C系统的程序码、主
机板上的BIOS

分类：

MASK ROM (掩模型只读存储器)：原始样本，用于复制

PROM(Programmable ROM, 可编程只读存储器)：仅一次写入

EPROM(Erasable Programmable, 可擦可编程只读存储器)

Flash Memory (快闪存储器)：直接在主机板上修改内容而不需要将IC拔下的内存，当电源关掉后储存在里面的资料并不会流失掉，在写入资料时必须先将原本的资料清除掉，然后才能再写入新的资料

3、内(外)总线逻辑

1、总线分类1：

数据总线：用于在C P U与R A M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R A M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。

扩展总线和局部总线则是根据系统需要而添加

2、总线分类2：

片内总线： CPU芯片内部总线，用于连接芯片内部各个元件(如ALU 寄存器、指令
部 件 )

系统总线：计算机内部总线，它。 是连接计算机系统的主要组件。 如用于连接CPU 主存
和I/O接口的总结。系统总线又称板级总线或内部总线。

局部总线：计算机内部总线，通常是指在少数组件之间交换数据的总线，如CPU到北桥
的总线，内存到北桥的总线，局部总线的协议一般由设备制造商定义。在体系结构较简
单的计算机系统中，局部总线和系统总线为同一条总线。

通信总线：嵌入式系统主机外部总线，用于连接外部输入输出设备或者其他不同的计算
机系统。通信总线又称外部总线或外设总线。

4、看门狗电路

嵌入式系统必须具备的一种系统恢复能力，系统发生软件问题和程序跑飞后使系统重启

工作时自动计数（定时任务），程序流程定期将其复位。

3、嵌入式软件架构

BSP（板级支持包）：

是介于主板硬件和操作系统中驱动层之间的一层

引导加载程序BootLoader和设备驱动程序

1. 硬件相关性，BSP需为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法
2. 操作系统相关性，不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此不同操作系统具有特定的硬件接口形式

1、层次化模式架构：抽象不同层级

2、递归模式架构：不断的拆解

2.1）自顶向下：自顶向下的工作流从系统层级开始并标识结构对象

2.2）自底向上：自底向上专注于域的构造，首先确定域中的关键类和关系。要求开发者以往有丰富的开发经验

嵌入式操作系统（EOS）：

1）硬件层、抽象层、操作系统层、中间件层和应用层

2）主要特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁减和可配置

3）分类：

实时：VxWorks、Nucleus。高精度计时系统、多级中断机制、实时调度机制

非实时：移动电话、机顶盒、电子书、Android、IOS、WinCE

VRTX：实时多任务操作系统

LynxOS：分布式嵌入式实时操作系统

4、嵌入式架构设计方法

1、ABSD

基于架构的软件设计。由业务、质量和功能需求的组合驱动软件架构设计

自顶向下，递归细化的软件开发方法

2、ADD (Attribute-Driven Design 属性驱动)

开发过程：

需要经历评审、选择驱动因子、选择系统元素、选择设计概念、实体化元素和定义接口、草拟视图和分析评价等七个阶段

低功耗设计：

1、软硬件协同设计

2、编译优化

3、减少系统的持续运行时间，算法优化

4、用中断代替查询

5、进行电源的有效管理