第 2章 架构设计

本章目标

• 什么是架构；

• 如何选择合适的架构。

本章结构

2.1 、相关知识简介2.2 、流行服务器的 CPU 构架2.3 、系统架构2.4 、硬件架构2.5 、软件架构

2.1、相关知识简介

2.1.1 、嵌入式系统的组成与结构2.1.2 、嵌入式系统的层次结构2.1.3 、嵌入式系统的硬件架构2.1.4 、嵌入式微处理器的选型2.1.5 、嵌入式系统的软件架构

2.1.1、嵌入式系统的组成与结构

嵌入式系统的结构形式主要有四种：（ 1 ）通用平台（ 2 ）模块化平台（ 3 ）专用平台（ 4 ）专用产品

2.1.2、嵌入式系统的层次结构

嵌入式系统的软硬件层次结构如下图：

2.1.3、嵌入式系统的硬件架构（ 1 ）

未来嵌入式系统的总体硬件架构的模式将如下图所示。

2.1.3、嵌入式系统的硬件架构（ 2 ）

结点的组成结构分为三部分：输入单元、控制单元、输出单元，如下图：

输入单元把检测信号转换为控制单元可接收的信号，经过控制单元进行控制变换，输出的信号经过输出单元转换为可被利用的输出。

2.1.3、嵌入式系统的硬件架构（ 3 ）

数字控制单元有很多实现方案，按实现方式的不同可以归纳为如下几类： 通用处理器 专用处理器：单片机、 DSP 、 NCU 可编程逻辑控制器 专用数字集成电路按控制方式的不同，有三类：处理器、可编程逻辑控制器、逻辑控制器。

2.1.4、嵌入式微处理器的选型（ 1 ）

（ 1 ）嵌入式微处理器（ Embedded Microprocessor Unit ， EMPU ）

（ 2 ）嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU ）

（ 3 ）嵌入式 DSP

（ Embedded Digital Signal Processor ， EDSP ）（ 4 ）嵌入式片上系统

（ SystemOnChip ）

2.1.4、嵌入式微处理器的选型（ 2 ）

（ 5 ）几类处理器的比较

比较项 CISC RISC MCU DSP SOC

性能 高 高 低 高 高功耗 高 底 底 高 －

对操作系统的支持

好 好 不好 不好 －

开发难度 高 一般 简单 高 高

2.1.5、嵌入式系统的软件架构

嵌入式系统的软件层次架构如下图。

应用程序

操作系统

驱动程序

Bootloader（固件、韧件）

2.2、流行服务器的 CPU 构架

现在流行服务器的 CPU 架构有以下几种（ 1 ） CISC 架构服务器（ 2 ） RISC 架构服务器（ 3 ） VLIW 架构服务器

2.3、系统架构

2.3.1 、网络架构2.3.2 、操作系统简介2.3.3 、操作系统选择2.3.4 、 WEB 服务器方案

2.3.1、网络架构

基于 WEB 的远程控制系统是以嵌入式 WEB 服务器为中心，通过 Internet 网远程访问嵌入式 WEB 服务器，嵌入式 WEB 服务器通过现场总线控制各个结点，以达到远程监控的目的。现场总线可以是 RS485 、 CAN 或 ZigBee 等。基于 WEB 远程控制系统的网络示意图如下

嵌入式WEB服务去

远程控制终端(浏览器)

Internet

接地1 接地2 接地n

现场总线

2.3.2、操作系统简介（ 1 ）

操作系统 (OS ， OperatingSystem) 的基本思想是隐藏底层不

同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接口实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。这样软件设计人员就不必关心具体硬件的操作细节，能够专注于所擅长领域的开发。

2.3.2、操作系统简介（ 2 ）

（ 1 ） LinuxLinux 是目前最为流行的一款开放源代码的操作系

统（ 2 ） μC/OS-II

开放源代码。如果作为非商业用途， μC/OS-II 是完全免费的。

（ 3 ） WinCEWindows CE 系列在通信和网络的能力，以及多

媒体方面极具优势。

2.3.3、操作系统选择

WinCE 有良好的开发工具，但占用系统的资源比较大，提高了嵌入式 WEB 服务器的成本。

采用 RTOS ，占用系统的资源比较少，可有效控制成本，但服务器应用程序等可选择的比较少，在软件方面的工作量比较多。

Linux 有很多的共享代码，可裁减性也比较好，占用系统的资源适中，但软件方面的工作量比较多。

我们选择 Linux 或 uClinux 做为系统的操作系统平台。

2.3.4、 WEB 服务器方案

WEB 服务器方案主要有两大类：（ 1 ） BOA+CGI

嵌入式 Web 系统提供了一种经济、实用的互联网嵌入式接入

方案。在 Linux 系统下，嵌入式 Web Server BOA+CGI 程序设计技术，是实现嵌入式 Web 系统的一种不错的方案。（ 2 ） Apache+Tomcat

Java 是一种面向对象的、跨平台的计算语言开发网络应用系统的最理想的工具。

2.4、硬件架构

2.4.1 、选择主控芯片体系结构2.4.2 、了解相关芯片2.4.3 、选择主控芯片2.4.4 、设计硬件方案

2.4.1、选择主控芯片体系结构

从应用的角度出发，在选择 ARM 微处理器时所应考虑的主要

问题有以下几个方面。 （ 1 ） ARM 微处理器内核的选择 （ 2 ）系统的工作频率 （ 3 ）芯片内存储器的容量 （ 4 ）片内外围电路的选择

2.4.2、了解相关芯片

我们考察了以下几种相关的芯片。 （ 1 ）三星 S3C4510b

集成了以太网控制器 ，成本低，停产。（ 2 ）三星 S3C2440/2410

价格便宜，资源丰富。 （ 3 ）三星 S3C44B0

性价比高，体积小，功能少。

2.4.3、选择主控芯片

在硬件设计中，主控芯片的选择是设计的核心。主控芯片的选择可以从芯片的性能、供应情况、价格以及使用方的情况等方面来考虑。 三星 S3C2440/2410 这款芯片在市面上比较流行，相关的资料及其软件方面的资料也很丰富，价格适中偏高，芯片的主要定位是用在手机或 PDA 上，但考虑到基于这款芯片的软

硬件平台资源比较丰富，我们也积累了不少的经验和技术，上手比较快。决定用这款芯片做为首版，并集成一些控制结点的功能。

2.4.4、设计硬件方案

（ 1 ）基于 S3C2440 的硬件方案硬件系统的主控芯片采用 S3C2440 ，并使用 64

M SDRAM 和 64Mflash 的存储构架 。（ 2 ）基于 S3C44B0 的硬件方案

硬件系统的主控芯片采用 S3C44B0 ，并使用 16M SDRAM 和 2Mflash 的存储构架 。

2.5、软件架构

操作系统采用 Linux/uClinux ， WEB 服务器软件采用

BOA+CGI 。 BOA 是一个单任务的小型 HTTP 服务器，源代码开放、性能优秀，特别适合应用在嵌入式系统中。目前的 linux 的代码中已经包含 BOA 的

源代码。

本章总结

本章介绍了嵌入式系统架构设计的相关知识和流行服务器的 CPU 构架，并阐述了嵌入式 WEB 服务器的系统架构和软硬件架构。