1.1.2 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，如图1-1所示。

图1-1的上半部分为软件，下半部分为硬件，下半部分中间为SOC/SOPC（System on a Chip/System on a Programmable Chip，片上系统/片上可编程系统），中间虚框内为核心处理器，核心处理器外面为外围电路，SOC/SOPC之外为外部设备。

硬件一般由高性能微处理器和外围端口电路组成，软件一般由操作系统和应用程序组成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。概括地说，嵌入式系统的硬件有核心处理器、外围电路和外部设备，嵌入式系统的软件有操作系统、应用软件，下面分别介绍。

1.嵌入式系统硬件部分

（1）核心处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器与通用 CPU 最大的不同在于，嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

为便于读者理解，下面举例进行详细说明。

① ARM芯片是嵌入式微处理器中的佼佼者，是很多数字电子产品的核心。如今，95%的手机里的核心处理器使用的是ARM芯片，ARM芯片在整个手机市场上占有90%以上的份额。

② MIPS CPU是一种精简指令集（RISC）结构的CPU。MIPS起源于一个学术研究项目。该项目的设计小组设计出几种芯片并投放市场，结果是MIPS CPU得到了工业领域广大制造商的支持，包括从生产专用集成电路核心（ASIC Cores）的厂家（LSI Logic、Toshiba、Philips、NEC等）到生产低成本CPU的厂家（NEC、Toshiba、IDT等），从生产低端64位处理器的厂家（IDT、NKK、NEC等）到生产高端64位处理器的厂家（NEC、Toshiba、IDT等）。

③ PowerPC是由苹果（Apple）公司、IBM以及早期的Motorola（现在的飞思卡尔半导体公司）组成的联盟（AIM）共同设计的微处理器架构，以对抗当时在市场上占有压倒优势的Intel x86处理器。

④ DSP处理器（数字信号处理器）是微处理器的一种，这种微处理器具有极快的速度。因为这种处理器的应用场合要求极高的实时性，信号处理各种运算最基本的是乘法和累加运算，其运算量非常大，这就决定了DSP处理器的结构和指令系统的特点。

为进一步说明它们的差异，下面举3个实例。

例1：Z80微机。

Z80微机的早期应用主要是将构成计算机系统的Z80微处理器、RAM、ROM和输入/输出端口等电路都组合在一块PCB（Print Circuit Board，印制电路板，也称印刷线路板）板上，因此早期的Z80微机系统也叫Z80单板机（Single Board Computer，SBC）。要构成一台简单的计算机系统至少需要Z80 CPU、Z80 PIO（并行输入/输出端口）、Z80 CTC（定时/计数器）等芯片。

例2：PC机（Intel 8086）。

Intel 8086是Intel公司于1978年设计的16位微处理器芯片，是Intel x86架构的鼻祖。不久之后，Intel公司推出了Intel 8088（一个拥有8根外部数据总线的微处理器）。Intel 8086以Intel 8080和Intel 8085的设计为基础，拥有类似的寄存器组，但是数据总线扩充为16位。总线端口单元（Bus Interface Unit）通过6字节预存（Prefetch）队列（Queue）位指令给执行单元（Execution Unit），所以取指和执行是同步的。Intel 8086 CPU有20位地址线，可直接寻址1MB存储空间，每一个存储单元可以存放一个字节（8位）的二进制代码。

要构成一个最简单的计算机系统至少需要Intel 8086 CPU、Intel 8255（并行输入/输出端口）、Intel 8253（定时/计数器）、Intel 8259（中断控制器）等芯片。

例3：Intel 8051。

Intel 8051是一种8位的单芯片微控制器，属于MCS-51单芯片的一种，由Intel公司于1981年制造。Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多公司，所以很多公司在做以Intel 8051为核心的单片机，如Atmel、Philips、深联华等公司，它们相继开发了功能更多、更强大的兼容产品。单片微型计算机简称为“单片机”，又称为“微型控制器”，是微型计算机的一个重要分支。单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种超大规模集成电路芯片，是集成CPU、RAM、ROM、输入/输出端口和中断系统于同一硅片上的器件。20世纪80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能的新型号，现已逐渐成为工厂自动化领域和各控制领域的支柱产业之一。

要构成一个最简单的计算机系统只需1块Intel 8051 CPU即可。

（2）外围电路

外围电路包括嵌入式系统的存储器控制器、输入/输出端口、复位电路、模数转换器/数模转换器（ADC/DAC）和电源管理等。

（3）外部设备

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）、存储设备、键盘、鼠标、液晶显示器（LCD）、红外数据传输（IrDA）和打印设备等。

2.嵌入式系统软件部分

嵌入式软件由嵌入式操作系统和嵌入式应用软件两大部分组成。嵌入式软件一般包含四个层面：应用程序，文件系统/图形用户应用程序接口（API），实时操作系统（RTOS），设备驱动程序、HAL、BSP。有的开发者将文件系统/图形用户应用程序接口（API）归属于操作系统（OS）层，这是按照三层来划分，即应用层、OS层、驱动层。

嵌入式系统硬件是嵌入式系统软件运行的物理平台的通信端口，它的存在使嵌入式系统的优越性能得以展现。嵌入式操作系统和嵌入式应用软件控制着整个系统的运行，提供人机交互等，两者相辅相成，缺一不可。