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1、第2章 嵌入式软硬件系统,在学习嵌入式开发之前，需要了解一下嵌入式系统基本知识。嵌入式系统是由软件和硬件组成的，与传统的PC不同，在设计嵌入式系统的时候通常是软件和硬件都需要设计。对于一个嵌入式系统开发来说，无论是硬件开发人员还是软件开发人员，都需要掌握基本的软件和硬件知识。本章的主要目的是通过讲解基本的软硬件知识，帮助读者建立嵌入式系统概念，主要内容包括： 模拟电路和数字电路 基本的数制转换 计算机的工作原理 软件的基础知识 操作系统概要,2.1 电路基本知识,初中物理知识讲过，电流就是电流通过的路径。一个最简单的电路是由电源、负载和导线构成的。复杂的电路还有电阻、电容、晶体管、集成电路等元
2、件。这些元件的功能不同，通过不同的组织方式构成了不同功能的电路。无论什么样的电路，最终的功能都是处理电子信号的。按照电子信号的工作方式可以把电路分成模拟电路和数字缏贰,2.1.1 什么是模拟电路,处理模拟信号的电路称作模拟电路。模拟信号的特点是信号是线性变化的，意思是信号变化是连续的。如经常使用的收音机、电视机和电话都是使用的模拟信号。常见的模拟电路有变压电路、放大电路。评估一个模拟电路常见的参数有放大率、信噪比和工作频率等。模拟电路是数字电路的基础，数字电路可以看做是模拟电路的一种特殊形式。,2.1.2 什么是数字电路,数字电路顾名思义是处理数字信号的电路，通常数字电路具有逻辑运算和逻辑处理
3、的功能。与模拟信号不同，数字信号使用电压的高低或者电流的有无表示逻辑上的1或0，因此数字电路可以方便地表示出二进制数。数字电路可以分成脉冲电路和逻辑电路两部分，脉冲电路负责对信号变换和测量；逻辑电路负责处理数字逻辑。 与模拟电路不同，数字电路关心的是信号状态的变化。通过数字逻辑可以处理复杂的二进制信息，因此数字电路是计算机的基础。由于数字电路的工作特点，它具有电路结构简单、容易加工制造等优点，可以大批量的生产制造，成本也变得低廉。数字电路广泛应用在测量、科学计算、自动控制等领域。,2.1.3 数制转换,计算机是由数字电路构成的，其内部数据的传输和处理都使用二进制方式。日常生活中普遍使用十进制方
4、式表示数字，所以在使用计算机的时候需要用到数制转换。常见的有二进制到十进制的转换，从事嵌入式开发经常会用到十六进制，有的时候还会用到八进制。 二进制的特点是“逢2进1”。如十进制的0对应二进制的0，十进制的1对应二进制的1，十进制的2对应二进制的10，以此类推。从这个推演规律中可以看出，二进制数从右往左每个位数都是2的位数次幂。举个例子，二进制数1010转换为十进制数： (1010)2 = (23x1) + (22x0) + (21x1) + (20x0) = 8 + 0 + 2 + 0 = (10)10,2.1.3 数制转换,2.2 计算机组成原理,现代计算机的构造越来越复杂，功能也日新月异
5、。但是计算机的组成结构从本质来说仍然是相同的。一个计算机系统硬件是由中央处理器、存储系统、总线系统和输入输出系统几个基本部分组成的。本节从计算机系统结构发展的角度介绍计算机组成和工作原理。,2.2.1 计算机体系的发展,计算机是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。按照功能又可以划分为指令系统、存储系统、输入输出系统等。计算机体系结构简单的说就是研究计算机各系统和组成部分结构的一门学问。计算机的诞生到现在时间仅有半个世纪，但是计算机体系结构却有很大的发展，出现了许多的体系结构设计思想和设计方法。从存储结构来说可以把计算机体系分成冯诺依曼结构和哈佛结构。,2.2.2 中央处理器,中央处理器英文全称
6、是（Central Process Unit），简称CPU，是一个计算机系统的核心。CPU是由运算器、控制器、寄存器和内部总线组成的。在CPU之外再加入总线，存储设备输入输出设备就可以构成一个完整的计算机系统。 CPU有几个重要的参数，包括工作频率、字长、指令集和缓存。工作频率通常是用户最多听到的参数，一个CPU的工作频率包括了主频和外频以及外部总线频率。主频是CPU的实际工作频率，外频是CPU工作的基准频率，还有一个是总线的工作频率。一般来说，工作频率越高的CPU执行指令的速度就越快，但是也不完全如此。,2.2.3 存储系统,计算机在工作中需要从内部存储器中读取指令和数据，并且把计算的结果存
7、入外部存储器。由于材料和价格因素的限制，计算机的存储器件在容量、速度等方面需要匹配。存储系统的作用就是设计一个让各种存储器相互配置达到最优性价比的方案。,2.2.4 总线系统,总线是CPU连接外部设备的通道。通常包括数据总线（DataBus）、地址总线（AddressBus）和控制总线（ControlBus）。地址总线负责向外部设备发送地址信息；数据总线负责从外部设备读取或者写入信息；控制总线负责发送信号控制外部设备。 计算机的总线系统是由总线和相应的控制器构成的。如嵌入式系统中常见的I2C总线和SPI总线，特点是控制简单，成本低廉，本书后面会做具体介绍。其他的还有PCI总线，支持复杂的功能和
8、很高的系统吞吐量。 总线的出现规范了CPU和外设之间的通信标准，简化了外部器件的设计。使用一些通用的总线可以有效降低开发成本。,2.2.5 输入输出系统,输入输出系统由外部设备和输入输出控制器组成，是CPU与外部通信的系统。CPU通过总线与输入输出系统相连。由于外部设备的速度差异，CPU可以使用不同的方式控制外部设备的访问。常见的有轮询方式、中断控制方式和DMA方式。 程序中断方式最简单，CPU通过不断的查询某个外部设备的状态，如果外部设备准备好，就可以向其发送数据或者读取数据。这种方式由于CPU不断查询总线，导致指令执行受到影响，效率非常低。,2.3 软件基础知识,嵌入式系统的基础是硬件，软
9、件是嵌入式系统的灵魂。离开了软件，一个系统的功能就无法发挥。因此软件设计开发是嵌入式系统开发的一个重要环节。本节介绍软件的基础知识，开发流程以及基本的技术。,2.3.1 什么是软件,使用过计算机的读者都使用过各种各样的软件，例如最常见的Word文字处理软件，还有上网使用的浏览器等。严格的说，软件是由程序和文档构成的，程序是一组按照特定结构组织的指令和数据集合。 通常软件可以分成系统软件和应用软件，以及目前兴起的介于二者之间的中间件软件。系统软件是使用计算机提供的基本功能，例如操作系统和数据库系统。它们都不是针对某种特殊需求，而是面向通用的领域。应用软件是针对某种特殊需求设计的，一般来说具有专门
10、的功能。比如MP3播放软件就是针对播放音乐设计的。 软件的另一个组成部分是文档。随着软件复杂程度的提高，文档也越来越重要。常见的软件文档有开发文档和用户文档，前者面向开发人员，后者面向最终用户。软件开发人员应该树立起编写文档的好习惯。,2.3.2 软件开发流程,软件开发流程是软件在开发过程中需要走的步骤，经过几十年的发展形成一套公认的开发流程。大致可以分成4个部分：需求分析、设计、编码调试、测试和维护。,2.3.3 常见的软件开发模型,软件的发展过程中，经过前人的总结，设计出几种软件开发模型。软件开发模型指定了软件开发流程中的规范和参考原则，指导开发人员按照特定的步骤工作。但是，由于现实的差异
11、性，很少有适用与所有软件的开发模型，有一些经过验证比较有效的模型供开发人员参考。常见的有瀑布开汀隽靠鸵约跋衷诒冉先让诺耐骋蝗砑停UML）。,2.3.4 计算机编程语言,计算机内部是通过执行指令完成各种操作的，无论是指令还是数据在计算机内部都使用二进制表示，对于用户的识别和输入都很困难。计算机编程语言就是为解决这个问题设计的。计算机编程语言是一种有规范格式和语法供人类描述计算机指令的字符串集合。举个例子来说，计算机内部使用二进制10100101表示一个求加法操作，计算机语言可以通过add字符串表示这个加法操作，便于人类识别。 计算机语言可以分成机器语言、汇编语言和高级语言。其中机器语言是供计算机
12、本身识别的，为二进制串。汇编语言是对机器语言的抽象，其实质与机器语言是相同的。汇编语言的指令与机器语言是一一对应的。此外，汇编语言还设计了伪指令和宏指令，帮助编程人员提高开发效率。汇编语言是依赖体系结构的，在一种CPU上能执行的汇编语言在其他的CPU很可能就无法执行了。,2.3.5 数据结构,数据的物理结构描述数据元素的存储结构，依赖于具体的计算机实现。例如，一个统计表格是数据元素之间的逻辑结构，但是把表格存放到计算机中需要考虑存储结构，可以按照行的顺序存储，也可以按照列的顺序存储，这就是数据的物理结构。 数据结构还定义了数据元素上的操作方法，通常也称作算法。算法可以理解为一种思路。例如，对1
13、0个无序的数字按照大小排序，可以有冒泡排序、二分排序、插入排序等多种方法。在计算机编程中，一个好的算法可以起到事半功倍的效果。,2.4 操作系统知识,现代计算机的应用软件都是在操作系统下面工作的。嵌入式系统早期应用程序是直接运行在CPU上，比如单片机。随着嵌入式系统硬件处理能力的提升，应用也越来越复杂，目前主流的嵌入式系统都配备了操作系统，应用软件使用操作系统提供的功能。本节介绍操作系统的知识。,2.4.1 什么是操作系统,操作系统是一类特殊的系统软件。它管理整个系统的所有硬件和软件，通常是整个计算机系统中最接近硬件的系统软件。操作系统屏蔽了硬件的底层特性，向应用软件提供了一个统一的接口。对于
14、应用软件来说，不需要知道硬件的具体特性，使用操作系统提供的接口即可完成相应的功能。除此之外，操作系统通过特定的算法统筹安排整个计算机系统软硬件资源，使计算机的资源利用率更高，甚至获得比硬件更多的功能。 操作系统是软件领域一个重要部分。常见的嵌入式操作系统有cLinux、vxWorks等。本书第4章将详细讲解嵌入式Linux操作系统以及与其他系统之间的对比。,2.4.2 操作系统发展历史,最早的计算机没有操作系统。在同一时间，用户只能通过打孔机等外部设备把程序输入，计算机按照程序执行。如果程序出现问题，整个机器就会停止工作。后来把常用的程序设计成库装入计算机，方便用户使用，这可以算是操作系统的雏
15、形。 早期的操作系统多种多样，在大型机领域，几乎每个系列的计算机都有自己的操作系统。这种方式造成资源很大的浪费，同样功能的程序在不同的机器上由于操作系统的不同无法运行。后来，AT&T公司在小型机上开发成功了UNIX操作系统（几乎同时C语言也诞生了），并且免费发放，用户可以修改其代码。UNIX的这种授权方式得到广泛应用，被移植到了各种计算机上，是现代操作系统的开端。UNIX操作系统的设计思想也是现在许多操作系统参考的基础。,2.4.3 操作系统由什么组成,按照软件的结构划分，操作系统可以分成内核、驱动程序和程序库。内核是操作系统的核心，也是整个系统软件的核心。一般来说，内核从抽象的层面提供最基本
16、的功能，通常代码短小精炼。驱动程序是计算机系统必不可少的一类系统软件，系统是和驱动程序打交道而不会直接访问硬件，硬件的具体细节有驱动程序完成，是软硬件的接口。程序库是操作系统向用户提供的程序接口。,2.4.4 几种操作系统的设计思路,层次结构的设计思想是把内核需要提供的功能划分出层次，最底层仅提供抽象出来的最基本的功能，每一层利用下面的一层的功能，依此类推最上面的一层可以提供丰富的功能。这种设计思路结构清晰是操作系统内核的一大进步。 微内核结构是19世纪80年代产生的内核结构。其设计思想是内核提供最基本最核心的功能，注重把系统的服务功能和基本操作分开。例如，内核只提供中断处理、内存管理等基本功能，网络传输数据之类的功能可以设计成一个系统服务完成。这种设计思路使得内核的设计更加简单，内核可以根据需要启动或者关闭系统服务，极大的提高了整个系统的工作效率。此外，微内核还会设计一个硬件抽象层，对内核屏蔽硬件底层特性，让内核可以专注提供各种功能。使用微内核结构的系统越来越多，常见的Linux和WindowsNT都采用了微内核的设计思想。,
