目錄

前言

嵌入式3層軟件架構(gòu)

嵌入式4層軟件架構(gòu)-1

驅(qū)動層

操作系統(tǒng)層

中間件層

應用層

嵌入式4層軟件架構(gòu)-2

硬件層

嵌入式微處理芯片

嵌入式存儲器系統(tǒng)

嵌入式I/O接口

中間層

系統(tǒng)軟件層

RTOS

文件系統(tǒng)

GUI

應用層

嵌入式5層軟件架構(gòu)1

嵌入式5層軟件架構(gòu)2

嵌入式6層軟件架構(gòu)

個人軟件架構(gòu)

MCU抽象層（MCU Abstract Layer） ? ? ?

硬件驅(qū)動層（Hardware Driver Layer） ? ??

功能模塊層（Functional Module Layer）

應用層（Application Layer）

前言

????????疫情帶來的災難，使得世界處于不穩(wěn)定狀態(tài)，全球缺芯片成為常態(tài)。對從事單片機和嵌入式底層的開發(fā)人員來增加很多的工作量，若是不注重代碼分層或者分層不好的將是多么痛苦，老項目換芯片換個不停，新項目做好幾套芯片方案。若有良好的分層思想，將是減少很多工作量！

????????最初的單片機開發(fā)語言是匯編語言，但匯編語言會隨著單片機種類的不同而不同。程序設(shè)計起來難度較大。后來人們改用C語言作為單片機程序設(shè)計的通用語言。這種不依賴于機器硬件的語言，可以方便的在各類單片機系統(tǒng)中移植，極大的加快了單片機程序開發(fā)的時間。這是單片機從語言上進行分層帶來便利。像PC 、手機等標準化產(chǎn)品已進行了系統(tǒng)性的標準分層。對于其他嵌入式產(chǎn)品行業(yè)分層架構(gòu)方式較多，源于行業(yè)的標準化程度及行業(yè)特性決定！但整體思想是一致的。

????????本文羅列了市面常見的分層架構(gòu)。對于復雜的系統(tǒng)產(chǎn)品分層方式較為統(tǒng)一，因為有人研究和專業(yè)的架構(gòu)師崗位，以及產(chǎn)品標準化程度高。像單片機裸機軟件分層架構(gòu)相對較弱，因為硬件資源有限，分層越細會占用空間；項目簡單，每個人都有自己的思想，沒有統(tǒng)一的去研究；產(chǎn)品種類復雜標準化弱。不過還是有共性的，只是單片機裸機項目功能相對單一，分層不要過于太細，層級分的太多，隔離的太徹底，有時候反而增加了無謂的損耗，3~5層即可。

嵌入式3層軟件架構(gòu)

嵌入式4層軟件架構(gòu)-1

????????嵌入式系統(tǒng)的軟件體系是面向嵌入式系統(tǒng)特定的硬件體系和用戶要求而設(shè)計的，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)軟件體系和通用計算機軟件體系類似，分成驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、中間件層和應用層等四層，各有其特點。

驅(qū)動層

????????驅(qū)動層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統(tǒng)和應用提供硬件驅(qū)動或底層核心支持。在嵌入式系統(tǒng)中，驅(qū)動程序有時也稱為板級支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的基本硬件環(huán)境的功能,基本硬件包括微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時器等。驅(qū)動層--般可以有三種類型的程序，即板級初始化程序、標準驅(qū)動程序和應用驅(qū)動程序。

操作系統(tǒng)層

????????嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)具有一般操作系統(tǒng)的核心功能，負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟硬件資源的分配、調(diào)度工作控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它仍具有嵌入式的特點，屬于嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System,EOS)。主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE、Palm：OS、Linux、VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS等。有了嵌入式操作系統(tǒng)，編寫應用程序就更加快速、高效、穩(wěn)定。?

中間件層

????????中間件是用于幫助和支持應用軟件開發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形支持及相應開發(fā)工具等，例如：MySQL、TCP/IP、GU1等都屬于這一類軟件。

應用層

????????嵌入式應用軟件是針對特定應用領(lǐng)域，用來實現(xiàn)用戶預期目標的軟件。嵌入式應用軟件和普通應用軟件有一定的區(qū)別，它不僅要求在準確性、安全性和穩(wěn)定性等方面能夠滿足實際應用的需要，而且還要盡可能地進行優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統(tǒng)中的應用軟件是最活躍的力量，每種應用軟件均有特定的應用背景。盡管規(guī)模較小，但專業(yè)性較強，所以嵌入式應用軟件不像操作系統(tǒng)和支撐軟件那樣受制于國外產(chǎn)品，是我國嵌入式軟件的優(yōu)勢領(lǐng)域。

嵌入式4層軟件架構(gòu)-2

• 硬件層；
• 中間層；
• 系統(tǒng)軟件層 ；
• 應用軟件層 ；

硬件層

硬件層的結(jié)構(gòu)如下：

嵌入式的硬件層主要分為三個部分：嵌入式微處理芯片、嵌入式存儲系統(tǒng) 和 嵌入式 I/O 接口。

嵌入式微處理芯片

????????主要包括：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數(shù)字信號處理器、嵌入式片上系統(tǒng)等；嵌入式微處理器與通用 CPU 最大的區(qū)別在于將 CPU 中需要需要外部設(shè)備來完成的任務(wù)集成到了芯片內(nèi)部。

• 嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心部分；
• 微處理器最大的特點是：集成化、體積小、功耗小、成本低、穩(wěn)定性高；
• 不同微處理器的體系結(jié)構(gòu)不一樣，主要分為馮諾依曼和哈弗結(jié)構(gòu)；
• 即使同一體系結(jié)構(gòu)的微處理器使用的時鐘頻率、數(shù)據(jù)總線寬度、集成的外設(shè)和接口也會不一樣；

嵌入式存儲器系統(tǒng)

????????主要包括：程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和參數(shù)存儲器，主要以 Cache、ROM、RAM、Flash、SD卡等；

• Cache：又叫高速緩沖存儲器，是主存和處理器內(nèi)核之間的一種容量小、速度快的存儲器陣列，相當于在主存和內(nèi)核之間構(gòu)建了一條緩沖帶。主要用于存放最近一段時間內(nèi)核微處理器用到最多的指令和數(shù)據(jù)；Cache 分為指令 Cache 和 數(shù)據(jù) Cache，微處理器盡量從 Cache 中讀取指令和數(shù)據(jù)，減小在主存讀取數(shù)據(jù)和指令的次數(shù)。Cache 存在提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率和性能；
• 主存儲器：主要用來存放用戶的程序和數(shù)據(jù)，是嵌入式微處理器能直接訪問的存儲器。主存儲器可以位于處理器內(nèi)部和外部，常用的ROM類存儲器為：EEPROM 、PROM；常用的 RAM 類存儲器為：SRAM、DRAM、SDRAM等；一般容量較小（256KB – 1G ），讀取速度快；
• 輔助存儲器：通常指硬盤、NOR Flash, NAND Flash, CF卡, SD卡等，主要用來存放大容量的程序代碼或數(shù)據(jù)。一般容量較大，讀取速度慢；

嵌入式I/O接口

嵌入式系統(tǒng)與外接交互所需要的通用設(shè)備接口，通常為：

• GPIO；
• A/D 轉(zhuǎn)換接口；
• RS-232接口（串行通信接口）；
• SPI（串行外圍設(shè)備接口）；
• 以太網(wǎng)接口；
• USB（通用串行總線接口）；
• I2C（現(xiàn)場總線接口）；
• 音頻接口；
• VGA視頻輸出接口；
• IrDA（紅外線接口）；

中間層

????????中間層也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL） 或者叫板級別支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件層和軟件層之間，用于連接軟件層和硬件層。

• BSP 是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層，為操作系統(tǒng)控制底層硬件提供了接口；
• BSP 具有硬件相關(guān)性和軟件相關(guān)性：
  • 硬件相關(guān)性：是指 BSP 需要和硬件平臺相關(guān)聯(lián)，不同硬件環(huán)境需要不同的 BSP 控制；
  • 軟件相關(guān)性：是指 BSP 也要迎合操作系統(tǒng)的接口，不同的操作系統(tǒng)具有不同的硬件操作接口；
• BSP 有一個很重要的功能是硬件初始化，嵌入式系統(tǒng)硬件初始化自下而上，從硬件到軟件分為三個主要環(huán)節(jié)：片級初始化、板級初始化、系統(tǒng)級初始化；
  • 片級初始化：主要是對微處理器進行初始化，包括：對處理器寄存器(包括數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器)的初始化，對處理器片內(nèi)總線的初始化；
  • 板級初始化：主要是對軟硬兩部分初始化，包括：對非處理器部分的初始化，設(shè)置軟件系統(tǒng)運行需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)；
  • 系統(tǒng)初始化：主要是對操作系統(tǒng)和應用軟件的初始化。首先，BSP 將處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)完成初始化，并創(chuàng)建應用程序環(huán)境；然后，操作系統(tǒng)將處理器控制權(quán)交給應用程序。
• BSP 中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，BSP 一般不直接調(diào)用這些驅(qū)動程序，而是操作系統(tǒng)通過 BSP 連接驅(qū)動程序，最終是應用程序調(diào)用操作系統(tǒng)接口使用設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作；

系統(tǒng)軟件層

????????系統(tǒng)軟件層通常包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-Time Operation System, RTOS）、文件系統(tǒng)、圖像用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通用組件模塊。其中， RTOS 是嵌入式應用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

RTOS

RTOS 的作用：

• 負責嵌入式系統(tǒng)資源分配（軟件/硬件資源）；
• 任務(wù)調(diào)度；
• 同步機制；
• 中斷處理；
• 文件處理；
• 提供統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動接口；
• 支持 TCP/IP 協(xié)議和其他協(xié)議；
• 提供 GUI 圖形化界面操作接口；

RTOS 的特點：

• 強實時性；
• 可裁剪性；
• 可移植性；
• 硬件適應性；
• 開放性；

RTOS 和 應用軟件被固化在嵌入式計算機的 ROM 中；

文件系統(tǒng)

嵌入式文件系統(tǒng)建立在 RTOS 之上，一般提供如下功能：

• 提供基本的文件存儲、檢索和更新功能；
• 支持 FAT32、JFFS2、YAFFS等幾種標準文件格式；
• 支持修改文件權(quán)限；
• 支持建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)；
• 支持創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷等服務(wù)；

文件系統(tǒng)的特點：

• 強兼容性；
• 實時性；
• 可裁剪性；

GUI

????????GUI 為人機交互提供了非常人性化的接口。嵌入式GUI 與 PC 上的 GUI 有著明顯的不同，嵌入式的 GUI 具有如下特點：

• 輕量型；
• 占用資源少；
• 高性能；
• -高可靠性；
• 便于移植；
• 可配置；

應用層

????????應用層軟件就是根據(jù)實際需求開發(fā)的應用軟件。嵌入式應用軟件主要有以下特點：

• 反應快捷；
• 占用資源少；
• 同時方便多用戶操作；
• 友好的人機界面；

?

嵌入式5層軟件架構(gòu)1

• 硬件驅(qū)動層
• 功能模塊層
• 應用接口層
• 業(yè)務(wù)邏輯層
• 應用層

嵌入式5層軟件架構(gòu)2

• 硬件驅(qū)動層
• 功能模塊層
• 系統(tǒng)層
• 業(yè)務(wù)邏輯層
• 應用層

嵌入式6層軟件架構(gòu)

個人軟件架構(gòu)

MCU抽象層（MCU Abstract Layer） ? ? ?

MCU是開發(fā)的核心和基礎(chǔ)，所以應將其作為最底層，為上層提供基礎(chǔ)支持。該層要求如下：

1，方便替換?單片機。

?????????每家芯片寄存器或API庫命名和操作都不相同，為了方便替換不對其他層代碼改動，把MCU外設(shè)（GPIO，AD，UART....）抽象封裝成統(tǒng)一的API或寄存器別名。

?2，方便應用? 不同項目。

? ? ? ? MCU是專業(yè)通用芯片，會應用在不通產(chǎn)品，所以該層不能體現(xiàn)項目和方案信息，應內(nèi)聚為MCU大類信息。

3，項目需要的進行抽象封裝。

????????如果完全將MCU的庫封裝一遍工作量將十分巨大，也沒必要，需要哪個就封裝哪個。例如用到uart了那就只把uart的封裝一下，像IIC、SPI等無關(guān)的可以不用封裝。不過可以一個項目一個項目的沉淀，越往后工作量越少。

硬件驅(qū)動層（Hardware Driver Layer） ? ??

????????這一層是純粹面向硬件設(shè)計的，對電路板的外設(shè)進行通用封裝抽象（移植其他項目也可以用，與應用邏輯無關(guān)聯(lián)），向上層提供硬件抽象接口。

????????如：常見的外圍EEPROM芯片AT24C02，W25Q64等；控制電源芯片，AD采樣芯片等；芯片級總線I2C、SPI，RS232協(xié)議、RS485協(xié)議、CAN總線等；按鍵，蜂鳴器，屏幕等驅(qū)動。

功能模塊層（Functional Module Layer）

????????MCU層與硬件驅(qū)動層是為了功能模塊提供的硬件驅(qū)動，從而實現(xiàn)項目需要的功能模塊。如存儲功能，電源設(shè)置功能，顯示功能，算法庫，文件庫等。向上提供應用層的功能模塊接口，向下調(diào)用驅(qū)動接口。

應用層（Application Layer）

?????????應用層主要負責功能模塊的使用和之間的邏輯關(guān)系處理等，實現(xiàn)產(chǎn)品整體功能系統(tǒng)邏輯。對于大部分單片機產(chǎn)品應用層一層就可以了，太復雜了，反而臃腫。但對于復雜的產(chǎn)品項目，可繼續(xù)細分，如下：

應用接口層：提供公共的 API 接口供應用接口供上層調(diào)用。這些接口也可由下層的功能模塊開放出來，應用接口層負責匯總。

業(yè)務(wù)邏輯層：如 CPU 卡處理，交通部卡處理，銀聯(lián)卡處理，M1 卡處理，通信記錄上傳，黑名單下載，票價參數(shù)下載等。

應用層：為程序的總體的運行框架，組織調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯?？梢杂媚撤N嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)幾種任務(wù) 。如定時任務(wù)，卡處理任務(wù)，菜單任務(wù)，通信任務(wù)。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-417938.html

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