嵌入式系统底层软件结构模型建构与协同性分析

摘 要：从探讨嵌入式系统结构和协同性角度出发，分析了嵌入式系统是否采用操作系统的原因以及与硬件层密切相关的嵌入式系统底层启动加载软件 Bootloader 和板级支持包软件BSP 的特性分析，给出相关模型、协同性设计流程、Bootloader 以及BSP 主要过程。为嵌入式系统的设计与应用提供有益的帮助。

0.引言

嵌入式技术被广泛应用于信息家器、消费电子、交换机以及机器人等产品中，与通用计算机技术不同，嵌入式系统中计算机被置于应用环境内部特征不明显。系统对性能、体积、以及时间等有较高的要求。复杂的嵌入式系统面向特定应用环境，必须支持硬、软件裁减，适应系统对功能、成本以及功耗等要求。

0.1 嵌入式系统与协同性

从信息传递的电特性过程分析，嵌入式系统特征表现为，计算机技术与电子技术紧密结合，难以分清特定的物理外观和功能，处理器与外设、存储器等之间的信息交换主要以电平信号的形式在IC 间直接进行。

从嵌入深度ED来看，信息交换在IC 间越直接、越多，嵌入深度就越大。

在设计实验系统模型（图1）时，充分考虑到软硬协同性，使其成为一个实验与研究完备平台。软硬件协同性问题涉及到协同性划分技术和协同性设计技术。协同性核心问题之一将涉及启动加载软件Bootloader、系统板级支持包BSP 以及嵌入式OS 之间融合和移植。协同性设计技术与系统功能、性能以及开发人员等因素相关，其核心内容为软硬件的协同描述、验证和综合提供一种集成环境。

嵌入式系统结构模型

图 1. 嵌入式系统结构模型

0.2 没有操作系统OS 的嵌入式系统

0.2.1 系统特点

由于系统的性质、任务、成本等原因，没有操作系统支持的嵌入式系统将继续大量存在。这样的系统使用专用开发工具(如：仿真在线调试器ICE 等)。通过串口或并口在ＰＣ机上联机调试程序，具有源代码调试功能。

0.2.2 局限性分析

没有OS 的系统按照“指令顺序执行+中断”的模式运行。在作者参与的早期程控交换机系统设计中，需要对不同端口量级（从10 到1000 等）的分机进行实时处理。通过建立交换系统核心硬件层（存储体、第一层I/O 等）以及用户口地址等程序；然后建立定时和非定时事件、过程以及任务中断链和任务表，应用中断对任务以及过程调度。设计人员要完成相当于部分操作系统功能的编写，导致软件结构复杂、工作量大尤其是重复劳动。

0.3 具有OS 的嵌入式系统

图1 的2 嵌入式系统就是具有嵌入式OS 的一种结构模型。引入嵌入式OS 可以面对多种嵌入式处理器环境（如：MPU、DSP、SOC 等）提供类同的API 接口，使基于OS 上的程序具有较好的移植性。从协同划分与设计技术出发，通过嵌入式软件的函数化、产品化能够促进分工专业化，减少重复劳动。