系统架构设计笔记（59）—— 嵌入式系统的组成

嵌入式系统一般都由软件和硬件两个部分组成，其中嵌入式处理器 、 存储器和外部设备构成整个系统的硬件基础。

嵌入式系统的软件部分可以分为3个层次：系统软件 、 应用支撑软件和应用软件。其中，系统软件和支撑软件是基础，应用软件则是最能体现整个嵌入式系统的特点和功能的部分。

1 硬件架构

图 1 是一个嵌入式系统的基本硬件架构。微处理器是整个嵌入式系统的核心，负责控制系统的执行。外部设备是嵌入式系统同外界交互的通道，常见的外部设备有 Flash 存储器 、 键盘 、 输入笔 、 触摸屏 、 液晶显示器等输入 / 输出设备，在很多嵌入式系统中还有与系统用途紧密相关的各种专用外设。

嵌入式系统中经常使用的存储器有3种类型：RAM 、 ROM（ Read-Only Memory ，只读内存）和混合存储器。系统的存储器用于存放系统的程序代码 、 数据和系统运行的结果。

1.3.1 存储介质

（1）存储介质基本分类

RAM ：随机访问存储器 (Random Access Memory) ，易失性。是与 CPU 直接交换数据的内部存储器，它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。当电源关闭时 RAM 不能保留数据。如果需要保存数据，就必须把它们写入一个长期的存储设备中（例如硬盘） 。

ROM ：只读存储器 (Read Only Memory) ，非易失性。一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地 、 方便地加以改写 。 ROM 所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变。计算机中的 ROM 主要是用来存储一些系统信息，或者启动程序 BIOS 程序，这些都是非常重要的，只可以读一般不能修改，断电也不会消失。

RAM 和 ROM 相比，两者的最大区别是 RAM 在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而 ROM 不会自动消失，可以长时间断电保存。

（2）随机访问存储器：RAM

随机访问存储器分为两类：静态的和动态的。静态的RAM（SRAM）比动态RAM（DRAM）更快，但也贵很多。SRAM用来作为高速缓存存储器，既可以在CPU芯片上，也可以在芯片下。DRAM用来作为图形系统的帧缓冲区。

• SRAM：SRAM存储器单元具有双稳态特性，只要有电，它就会永远的保持它的值（有点类似ROM易失性）。即使有干扰来扰乱电压，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。

• DRAM：动态RAM。

• SDRAM：同步DRAM。

• DDR SDRAM：双倍数据速率同步 DRAM（Double Data-Rate Synchronous DRAM）

（3）只读存储器：ROM

计算机存储器在其上数据已被预先记录。一旦将数据写入ROM 芯片，就无法将其删除，只能读取。与主存储器（RAM）不同，即使计算机关闭，ROM也会保留其内容。ROM被称为非易失性，现在有很多非易失性存储器。由于历史原因，虽然ROM中有的类型可以读也可以写，但是整体上都被称为只读存储器（Read Only Memory）。ROM是以它们能够被重新编程（写）的次数和对它们进行重编程所用的机制来区分的。

• PROM（Programmable ROM）：可编程ROM，只能被编程一次。

• EPROM（Erasable Programmable ROM，EPROM）：可擦写可编程ROM，擦写可达1000次。

• EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电子可擦除EPROM）

• 闪存（flash memory）：基于EEPROM，它已经成为一种重要的存储技术。固态硬盘（SSD）U盘等就是一种基于闪存的存储器

• nor flash ：NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

• nand falsh：NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flash以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。

1.3.2 存储器类型

嵌入式系统的存储器主要分为三种：高速缓存（ Cache ） 、 片内主存和片外主存以及外存。

（1）高速缓存

高速缓存是存放当前使用最多的程序代码和数据的，即主存中部分内容的副本，在嵌入式系统系统中， Cache 全部集成在嵌入式微处理器内部，可以分为：数据 Cache 、指令 Cache 和混合 Cache 。

（2）主存

主存是处理器能够直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据，系统上电后，主存中的代码直接运行，主存的主要特点是速度快，一般采用 ROM、EPROM、NOR flash、SRAM 和 DRAM 等存储器件。

（3）外存

外部存储器是不与运算器直接联系的后备存储器，用来存放不常用的或暂不使用的信息，外存一般以非易失性存储器构成，数据能够持久保存，即使掉电，也不消失 。Flash 存储器是在 EPROM 和E EPROM 的基础上发展起来的非易失性存储器，具有结构简单 、 可靠性高 、 体积小 、 质量轻 、 功耗低 、 成本低等优点，是最常用的一种外存类型。

1.4 I/O 设备与接口

因其应用领域的不同，嵌入式系统的输入设备多种多样，比较常见的有键盘 、 鼠标 、 触摸屏 、 手柄 、 声控开关等。

通常，根据输入设备实现机理的不同，嵌入式系统的设备可以分为：机械式 、 触控式以及声光式三类。

嵌入式系统的输出设备除了通用计算机常用的显示器 、 打印机 、 绘图仪等外，还包括 LED 指示灯 、 LCD屏幕 、 扬声器等媒体。

嵌入式系统与外部设备或其他的计算机系统进行通信时，需经接口适配电路，进行工作速度 、 数据格式 、 电平等匹配与转换，嵌入式系统应用的接口形式是多种多样的。

嵌入式系统中接口电路的设计需要首先考虑的是电平匹配问题，嵌入式系统微处理器所提供与接收信号的电平，必须与所连接的设备的电平相匹配，否则将导致电路损坏或逻辑判定错误。其次，还要考虑驱动能力和干扰问题等因素。

当前，在嵌入式系统中广泛应用的接口主要有： RS232- 串行接口 、 并行接口 、 USB接口 、 IEEE-1394接口以及 RJ-45 接口等，此外，以蓝牙为代表的无线接口在嵌入式系统中的应用也日趋广泛。

（1）RS-232 接口

RS-232 接口是美国电子工业协会推广的一种串行通信总线标准，是数据通信设备和数据终端设备间传输数据的接口总线， RS-232 -C标准规定其最高速率为 20kbps ，在低码元畸变的情况下，最大传输距离是 15 米，通过使用增强器，其传输距离已经延长到 1000 米左右。

（2）USB 接口

USB （ Universal Serial Bus ，通用串行总线）是 1995 年由康柏等几大厂商共同制定的一种支持即插即用的外设接口标准，它支持 USB 外部设备到主机外部总线的连接。在 USB 系统中，必须有一个 USB 主控制器， USB 设备通过四根电缆与 USB 主控制器直接或间接相连， USB 的规范由最初的 1.0 版本发展到了 1.1 版本，以至当前主流的高速 2.0 版本，最高速率可到 480Mbps。

（3）1394 接口

IEEE 1394 即火线（ FireWire ）最初是由 Apple 公司研制的， 1995 年 IEEE 协会以 FireWire 为蓝本制定了这个串行接口标准，其电缆接口为6根电缆组成，包括一堆电源线和两对双绞信号线。

IEEE 1394 协议定义了三种传输速率： 98.304Mbps、196.608Mbps 和 392.216Mbps ，分别称之为 S100、S200 和 S400。 为了保证数据传输率，线缆的长度一般不超过4.5m。

IEEE 1394 标准通过所有连接设备建立起一种对等网络，不需要主控节点来控制数据流，即跟 USB 技术相比，最大的区别是 IEEE 1394 不需要主控制器，不同的外设之间可以直接传递信息，此外，采用该技术，两台计算机可以共享同一个外部设备。

IEEE 1394 同时支持同步和异步传输两种模式。在异步传输模式下，信息的传递可以被中断，在同步模式下，数据将不受任何中断和干扰下实现连续传输。采用异步传输模式时， IEEE 1394 会根据不同的设备实际需要分配相应的带宽。同时， IEEE 1394 设备也支持热插拔和即插即用。

（4） 并行接口

并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如8255、6820等，一直至较复杂的SCSI或IDE并行接口，种类有数十种。

一个并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：

1. 以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数；
2. 用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。

（5）RJ-45 接口

RJ45是布线系统中信息插座（即通信引出端）连接器的一种，连接器由插头（接头、水晶头）和插座（模块）组成，插头有8个凹槽和8个触点。RJ是Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”。在FCC（美国联邦通信委员会标准和规章）中RJ是描述公用电信网络的接口，计算机网络的RJ45是标准8位模块化接口的俗称。

（6）蓝牙接口

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

2 软件架构

随着嵌入式技术的发展，特别是在后 PC 时代，嵌入式软件系统得到了极大的丰富和发展，形成了一个完整的软件体系，如图 3 所示。

来源：Deniro Lee