1.3.1 嵌入式系統的組成

嵌入式系統是具有應用針對性的專用計算機系統，應用是作為一個固定的組成部分“嵌入”在對象中。每個嵌入式系統都是針對特定應用定制的，所以不同的嵌入式系統在功能、性能、體系結構、外觀等方面可能存在較大的差異，但從計算機原理的角度看，嵌入式系統也包括硬件和軟件兩部分。圖1-1所示為一個典型的嵌入式系統組成，實際系統中可能不會包括圖中所有的組成部分，各個嵌入式系統可以有不同的結構組成。

（1）嵌入式系統硬件

嵌入式系統硬件部分以嵌入式處理器為核心，還包含擴展存儲器及外部設備接口控制器。在某些應用中，為提高系統性能，還可為處理器擴展DSP或FPGA等作為協處理器，實現視頻編碼、語音編碼及其他數字信號處理等功能。在一些芯片級系統（System On Chip，SoC）中，將DSP或FPGA與處理器集成在一個芯片內，降低系統成本，縮小電路板面積，提高系統可靠性。

圖1-1 典型的嵌入式系統組成

嵌入式系統的硬件由嵌入式微處理器、存儲器（RAM、ROM、Flash）、外部電路及外部設備接口構成。嵌入式處理器是系統的核心，負責控制整個系統的各部分有序工作。目前，嵌入式微處理器的品種已經超過上千種，流行的體系結構多達幾十個（比較典型的是8051體系和ARM體系結構），尋址空間從64KB～2GB、處理速度從0.1～2000MIPS不等，已形成了一個大家族。嵌入式處理器一般分成嵌入式微處理器（MPU）、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式數字信號處理器（DSP）、嵌入式芯片級系統（SoC）幾大類。與通用計算機的微處理器不同，嵌入式微處理器通常把通用計算機中的一些接口電路和板卡功能集成到芯片內部，使嵌入式系統在小體積、低功耗和高可靠性方面更具優勢。操作系統和應用程序都固化在ROM中用外圍電路為系統提供時鐘及系統復位等功能，外部設備一般包括實現人機接口的鍵盤、顯示器等設備及接口電路。

嵌入式系統硬件部分除了嵌入式處理器外，還包括豐富的外部接口。也正是這些豐富的外部接口，才帶來嵌入式系統越來越豐富的應用。例如，現在的ARM處理器內部的接口已相當豐富，像I2C、SPI、UART和USB等接口，基本上都已是“標準”配置，在設計系統的時候，通常只要把處理器和外部設備進行物理連接就可以實現外部接口擴展了。同時，雖然隨著嵌入式處理器高度集成化技術的發展，可供使用的接口越來越多，功能也越來越強，但是擴展外部接口時所需要的外部接口電路卻變得越來越少。

（2）嵌入式系統軟件

嵌入式系統的應用程序是針對特定的專業領域，基于相應的嵌入式硬件平臺，能完成用戶預期任務的計算機軟件。應用程序是嵌入式系統中的上層軟件，它定義了嵌入式設備的主要功能和用途，并負責與用戶進行交互。應用程序是嵌入式系統功能的體現，如飛行控制軟件、手機軟件、電子地圖軟件等，一般面向于特定的應用領域。有些應用程序需要嵌入式操作系統的支持，但有些簡單的應用場合下不需要專門的操作系統。由于嵌入式應用對成本十分敏感，因此為了減少系統成本，除了精簡每個硬件單元的成本外，應盡可能地減少應用程序的資源消耗，并盡可能地優化系統。

嵌入式系統軟件部分中的驅動層向下管理硬件資源，向上為操作系統提供一個抽象的虛擬硬件平臺，是操作系統支持多硬件平臺的關鍵。在嵌入式系統軟件開發過程中，用戶的主要精力一般集中在用戶應用程序和設備驅動程序開發上。