嵌入式系统的分类与组成

一、嵌入式系统分类

(1) 嵌入式微处理器(EMBEDDED MICROPROCESSOR UNIT, EMPU)

• 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
• 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。
• 嵌入式处理器目前主要有ADVANCED RISC MACHINES公司的ARM、SILICON
GRAPHICS公司的MIPS、IBM和MOTOROLA的POWER PC 、INTEL的X86和I960芯片、AMD的AM386EM、HITACHI的SH RISC芯片。

(2) 嵌入式微控制器(MICROCONTROLLER UNIT , MCU)

• 嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、Flash RAM、总线、总线逻辑、定时/计
数器、WatchDog、串行口、脉宽调制输出、A/D等各种必要功能和外设。与嵌入
式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下
降、可靠性提高。
• 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，占整个嵌入式市场份额的70%。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。
• 通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。
• 半通用系列：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；
• 专用系列：支持I2C、CAN-Bus、LCD的MCU及兼容系列。
• 目前有许多微处理器逐渐演化为微控制器（MCU）比如ARM，因此这些概念开始交叉融会。

(3) 嵌入式DSP处理器( EMBEDDED DIGITAL SIGNALPROCESSOR , EDSP)

• DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面,DSP算法正在大量进入嵌入式领域,DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。
• 嵌入式DSP处理器两个发展来源：
① DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的
TMS320C2000/C5000等属于此范畴；
② 在通用单片机或嵌入式片上系统(System On Chip) SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。
• 嵌入式系统的智能化是推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素，如：各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。
• 嵌入式DSP处理器有代表性的是：TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

(4) 嵌入式片上系统(SYSTEM ON CHIP)

• SOC是嵌入式系统的一种新形式，是将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上。它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品，在一块硅片里实现了能完成一个计算机系统功能所需要的硬件集成电路和嵌入式软件，属于计算机与微电子的新兴交叉学科。
• SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。
• IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。
• 2 种不同形式：软IP 核(soft IP core)和硬IP 核(hard IP core)
• SOC的优势：
• 降低耗
• 减少体积
• 丰富系统功能
• 提高速度
• 节省成本

二、嵌入式系统的组成

嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，用于实现对其他设备的控制、
监视或管理等功能。前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通
信接口；后者实际控制系统的运行。
硬件：嵌入式微处理器、外围电路、外围硬件设备。
软件：BOOTLOADER、嵌入式操作系统、用户的应用程序等。

（一）、硬件

硬件：嵌入式微处理器、外围电路、外围硬件设备。
➢CPU是嵌入式系统的核心处理器，又称为嵌入式微处理器，负责控制整个嵌入式系统的执行；
➢外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位电路、ADC/DAC（模数转换器/数模转换器）和电源等，与核心处理器一起构成一个完整的嵌入式目标系统。
➢ SRAM（STATIC RANDOM ACCESS MEMORY）为静态随机存储器
➢ FLASH为闪存器，固态存储器
➢ DRAM（DYNAMIC RANDOM ACCESS MEMORY）为动态随机存储器
➢外部设备指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括通用串行总线USB（UNIVERSAL SERIAL BUS）、存储设备、鼠标、键盘、液晶显示器（LCD，LIQUIDCRYSTAL DISPLAY）、红外线数据传输（IRDA，INFRARED DATA ASSOCIATION）和打印设备等。

（二）、软件

• 软件：BOOTLOADER、嵌入式操作系统、用户的应用程序。
➢BOOTLOADER完成硬件环境的初步初始化，为固件库或操作系统设置一个可以
运行、工作的环境。
➢操作系统控制着应用程序与硬件的交互，完成实时和多任务操作；或者用户程
序通过固件库与硬件进行交互。
➢应用程序控制着系统的运作和行为，完成各种设计功能。

嵌入式系统的软件可分成4个层次：
① 设备驱动接口（DDI）负责嵌入式系统与外部设备的信息交互；
② 实时操作系统（RTOS）分成基本和扩展两部分，
➢ 基本功能是操作系统的核心，负责整个系统的任务调度，存储分配、时钟管理
和中断管理，提供文件、图形用户界面（GUI）等基本服务；
➢ 扩展功能是为用户提供操作系统的扩展功能，包括网络、数据库等；
③ 可编程应用接口（API）也称为编程中间件、应用中间软件，是为编制应用程序提供
的各种编程接口库，它针对不同应用领域、不同的安全要求分别构建，从而减轻应用
开发者的负担；
④ 应用软件是针对不同应用而由开发者自己编写的软件。