【愚公系列】软考高级-架构设计师 034-嵌入式软件和BSP

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🚀前言

嵌入式软件和BSP（Board Support Package）都是为了应对嵌入式系统的特性而诞生的。

1. 嵌入式软件：嵌入式软件是针对嵌入式系统设计的软件，具有较小的规模、高实时性和可靠性要求，通常运行在资源受限的硬件平台上。嵌入式软件的发展起源于对特定硬件设备功能的需求，例如控制、监测、通信等。它们可以是底层的驱动程序，也可以是高层的应用程序，根据具体的嵌入式系统需求而定。
2. BSP（Board Support Package）：BSP是针对特定硬件平台的支持软件包，它提供了嵌入式操作系统和硬件之间的抽象层，使得操作系统能够运行在特定的硬件平台上。BSP通常包括了设备驱动程序、引导加载程序、时钟设置、内存管理等功能，以便操作系统能够在硬件上正确运行。BSP的开发需要深入了解特定硬件平台的架构和特性，并提供相应的软件支持。

嵌入式软件和BSP都是为了适应嵌入式系统的特殊需求而设计的。嵌入式软件负责实现系统功能和业务逻辑，而BSP则提供了操作系统和硬件之间的接口，使得软件能够在特定的硬件平台上正确运行。这两者通常是相互配合的，共同构建出一个完整的嵌入式系统。

🚀一、嵌入式软件和BSP

🔎1.系统工程相关概念

嵌入式软件是专门应用于嵌入式计算机系统中的软件，它不仅具有通用软件的通用特性，还具备许多与嵌入式系统特定的独特特点。这些特点包括：

1. 规模较小：因应硬件资源的限制，嵌入式软件通常需要设计得更加精简。
2. 开发难度大：开发嵌入式软件需要深入了解硬件细节，同时考虑资源限制和系统的实时响应。
3. 实时性和可靠性要求高：许多嵌入式系统在工业、医疗或安全关键领域中运行，必须保证高实时性和高可靠性。
4. 要求固化存储：嵌入式软件常常直接烧录在硬件设备中，使用的是非易失性存储器。

嵌入式软件可以根据其功能和用途分为几类：

• 系统软件：
  • 功能：控制和管理嵌入式系统的资源。
  • 包括：设备驱动程序、嵌入式操作系统、嵌入式中间件等。
  • 作用：为嵌入式应用提供必要的底层支持和平台。
• 应用软件：
  • 功能：定义嵌入式设备的主要功能和用途。
  • 包括：飞行控制软件、手机软件、地图导航软件等。
  • 作用：通常面向特定的应用领域，并负责与用户的直接交互。
• 支撑软件：
  • 功能：辅助软件的开发。
  • 包括：系统分析设计工具、在线仿真工具、交叉编译器等。
  • 作用：提供开发过程中所需的各种工具，以便开发人员可以更高效地编写和测试软件。

嵌入式软件的设计和实现考虑到了特定硬件的需求和限制，通过分层和专用的软件组件，确保了系统的高效和可靠运行。

🔎2.系统软件中的BSP

板级支持包 (BSP) 是嵌入式系统中的一部分，属于底层驱动和操作系统之一，它专门针对特定硬件平台开发的软件包。BSP包含了与硬件相关的驱动程序、引导程序、硬件抽象层等，用于支持特定的硬件平台和操作系统。主要负责底层硬件资源的管理和控制，提供给上层软件使用。

BSP具有以下两个主要特点：

1. 硬件相关性：BSP是针对特定硬件平台开发的，需要对该平台的每个硬件模块进行详细配置与编程，以实现对整个系统的初始化与控制。因此，不同硬件平台需要不同的BSP软件包支持。
2. 操作系统相关性：BSP需要为上层的嵌入式操作系统提供统一的软件接口和硬件运行环境。因此，相同硬件平台的不同操作系统也需要不同的BSP软件包支持。

BSP主要包括以下两个方面的内容：

• 引导加载程序 (BootLoader)：负责在系统启动时初始化硬件设备、加载操作系统到内存，并启动操作系统的执行。
• 设备驱动程序：用于控制和管理各种硬件设备，如CPU、内存、外设等，提供统一的接口供上层软件使用。

通过BSP的支持，嵌入式系统可以更加高效地运行，同时也为上层软件提供了良好的硬件抽象层，简化了软件开发和移植的过程。

🦋2.1 引导加载程序BootLoader

Bootloader 是嵌入式系统中在加电后首先运行的一段软件代码，它在操作系统内核运行之前执行，负责初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，将系统的软硬件环境设置到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好准备。Bootloader一般包括以下功能：

1. 片级初始化：
   • 主要完成微处理器的初始化，包括设置微处理器的核心寄存器和控制寄存器、微处理器的核心工作模式及其局部总线模式等。
   • 这是一个纯硬件的初始化过程，将微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
2. 板级初始化：
   • 通过正确地设置各种寄存器的内容来完成除微处理器外的其他硬件设备的初始化。
   • 包括初始化LED显示设备、定时器、中断控制寄存器、串口通信、内存控制器等，同时建立内存空间的地址映射。
   • 这是一个同时包含软件和硬件的初始化过程，需要设置硬件寄存器和某些软件的数据结构和参数。
3. 加载内核（系统级初始化）：
   • 将操作系统和应用程序的映像从Flash存储器复制到系统的内存中。
   • 然后跳转到系统内核的第一条指令处继续执行，启动整个系统的正常运行。

Bootloader为操作系统的正常运行奠定了硬件基础，其主要任务是初始化硬件设备、加载操作系统内核到内存中，并将控制权转移给内核，从而启动整个系统。

🦋2.2 设备驱动程序

设备驱动程序 是操作系统的一部分，用于管理和控制系统的具体硬件设备，为上层应用软件提供统一的设备接口和访问机制。驱动程序需要包含OS相关内容，根据OS的驱动模型编写，并通过OS提供的接口访问硬件资源。

对于不同的硬件设备，它们的功能各不相同，因此它们的设备驱动程序也是不同的。然而，大多数设备驱动程序都具备以下基本功能：

1. 硬件开启：在开机上电或系统重启时对硬件进行初始化，确保硬件处于可用状态。
2. 硬件关闭：将硬件设置为关机状态，释放资源并确保安全关闭硬件。
3. 硬件停用：临时暂停使用该硬件，以便其他操作系统或应用程序使用系统资源。
4. 硬件启用：重新启用停用的硬件，使其恢复正常工作状态。
5. 读操作：从硬件设备中读取数据，以便应用程序或操作系统进程使用。
6. 写操作：向硬件设备中写入数据，用于向设备发送指令或设置参数。

设备驱动程序需要根据特定的操作系统和硬件平台开发，它们是操作系统的一部分，负责管理系统的外设资源。通过提供统一的接口和访问机制，设备驱动程序使得上层应用程序能够方便地与硬件设备进行通信和控制，实现系统功能的完整性和可扩展性。

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