软件层次架构

在嵌入式系统开发中，常见的软件架构会把代码分为多个”层”（Layer），以便于管理、移植和维护。不同项目可能会有不同的划分，但主流嵌入式系统常见的层主要有：

应用层、中间件层、操作系统层、驱动层/硬件抽象层、硬件层

以下是对各层的详细介绍

应用层

介绍：应用层(Application layer)，有时也叫业务层，一般是实现产品的业务逻辑和最终功能，由开发者根据具体需求编写，比如界面、控制逻辑、协议处理等。

包含内容：

• 主程序入口（如main函数、app_main）
• 各种业务模块（如任务管理、UI界面、页面管理、控制流程）
• 设备/算法应用（如温度采集、数据上传、蓝牙通信等）
• 通常只通过中间件或驱动API访问下层，不直接操作硬件。

典型文件/模块

• main.c、app.c、tasks.c、ui_app.c、page_manager.c等

中间件层

介绍：中间件(Middleware)，中间件层是为应用层提供通用功能的支撑库或协议栈，起到“工具箱”作用，帮助应用层快速实现复杂功能。常见的中间件为为协议栈、文件系统、GUI库、音频库等。

包含内容：

• RTOS（如FreeRTOS、CMSIS-OS等，部分项目归为中间件）
• 网络协议栈（如LwIP、MQTT、HTTP）
• 文件系统（如FATFS、LittleFS等）
• 图形库（如LVGL、uGFX）
• 通信协议栈（如BLE/WIFI/USB/Modbus等）

典型文件/模块

• freertos.c、cmsis_os.c、lwip.c、fatfs.c、lvgl.c

操作系统层

介绍：操作系统层(OS层)，在项目中会把它归于中间件的部分。主要就是提供多任务调度、时间管理、线程/任务通信、同步机制等操作系统功能。

包含的内容：

• 任务/线程管理
• 信号量、消息队列、定时器、互斥锁
• 系统tick、内存管理

典型文件/模块

• FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr、CMSIS-OS等相关代码（通常中间件目录下）

板级支持包

介绍：板级支持包(BSP)，是针对具体开发板/硬件平台的初始化，也包含设备驱动程序(存储设备、显示器、传感器等)。

BSP严格来说不是一个层，但是一般包含HAL层/Driver层，，通常与HAL层/Driver层放到一起。

包含内容

• 硬件平台的初始化，如CPU主频、时钟、引脚映射、启动文件等。以及启动操作系统的引导程序（Bootloader）。

• 板级外设初始化，如lcd、key、sensor等的初始化

• 设备驱动程序，是指让上层能通过API直接操作板载各种芯片、模块、外设的代码，这部分程序和本板强相关。如传感器相关的操作等

典型文件/模块

• lcd.c、key.c、mpu6050.c、aht21.c、board_init.c、system_stm32f4xx.c

驱动层/硬件抽象层

介绍：驱动层(Driver)/硬件抽象层(HAL)，直接或间接对硬件资源进行操作，封装寄存器操作，向上提供通用API。

包含内容

• HAL库（如STM32 HAL、esp-idf的gpio、uart等API）
• 低层驱动（LL库，Low Layer，直接操作寄存器）
• 驱动接口（如I2C、SPI、UART、ADC、PWM、GPIO初始化与读写函数）
• 一些传感器/外设的基础驱动（如iic_hal.c、spi_hal.c）

典型文件/模块

• stm32f4xx_hal_gpio.c、hal_uart.c、driver/gpio.c、driver/uart.c

硬件层

介绍：硬件层(Hardware layer)，实际的物理硬件，包括单片机本身、各种外设芯片、电路板、传感器、显示屏、无线模块等。

包含内容

• MCU（如STM32、ESP32、NXP等）
• 板载传感器、外设芯片
• 电子元器件、电路板设计实现

典型文件/模块

• 无实际代码文件，对应为原理图、PCB、芯片数据手册等

层级合并

1. RTOS一般可归为中间件或单独一层，视项目管理而定。
2. BSP/Driver/HAL常合并，如果项目较小或板载驱动和HAL紧密结合，直接放在Drivers或BSP文件夹。
3. 很小的项目可能只有应用+驱动+硬件三层结构。

那么我们从上到下就5层：应用层、中间件、OS层、BSP(包括HAL、Driver)、硬件层

Driver、BSP、HAL层的关系

驱动（Driver）

驱动(Driver)，就是把硬件的底层细节寄存器、时序等用软件代码封装起来，直接通过寄存器与硬件交互，负责初始化、读写、控制硬件等，为上层提供标准接口。

我们最底层的驱动是：I2C外设驱动、SPI外设驱动、UART外设驱动、GPIO驱动等，通过对寄存器进行操作进行初始化和基本通信。因为是操作寄存器，在HAL层之下，HAL层是对其的封装。

然后是具体芯片的驱动，比如：传感器芯片(mpu6050、AHT20等)、存储芯片(EEPROM芯片等)、LCD屏幕等，我们需要调用HAL库的I2C、SPI外设等与其完成通信。这就相当于对HAL层的应用，在HAL层之上，一般由用户来完成。

驱动既可以是单片机外设的底层寄存器操作，也可以是对复杂外设协议的实现。

硬件抽象层HAL

HAL是介于底层硬件和上层软件之间的一层抽象层，用于隐藏底层寄存器的操作细节，提供统一的API。可以对不同芯片进行适配。

主要是对芯片固定的片上资源(各外设)的抽象层接口函数，例如GPIO、UART、I2C、SPI等。可以调用这些API直接对外设操作，而不用知道其底层细节。

因为HAL层包含底层驱动，所以通常与最底层的驱动层(Driver)合并为Driver层

BSP

BSP-板级支持包，是用于特定硬件平台/芯片的一组软件组件，通常包括启动代码、驱动程序和HAL等。确保操作系统能够正确识别和使用硬件功能(跑起来)。

启动代码：负责系统上电后的硬件初始化，如设置时钟、初始化存储器等。

硬件抽象层（HAL）：提供硬件接口的抽象层。

设备驱动：针对特定硬件的驱动程序。

所以BSP则更像是一个包裹/集合（package），它打包了启动代码、硬件初始化、驱动、HAL等所有让“这块板子能跑起来”的内容。

联系

驱动与HAL： HAL可以调用底层驱动程序实现硬件操作，驱动实现硬件的具体操作，HAL则提供更高层次的抽象接口。

BSP与驱动： BSP包含了驱动程序，驱动是BSP中的一部分，通过BSP，操作系统可以调用驱动程序来控制硬件。

BSP与HAL： BSP包含HAL，HAL是BSP的一部分，提供硬件访问的抽象接口。

这些关系就造成了在分层时我们通常将 HAL与驱动层分到一起, 如果有BSP的话，因为BSP包含了HAL与驱动，所以我们统一把他们分到一起叫做：Driver或BSP

如图是把BSP放在Driver中架构图：

北京联盛德微电子芯片原厂的芯片架构：将Driver放在BSP中

这两种方法并没有绝对对错，关键看你的项目需求和团队习惯。主流做法是Driver层包含BSP，建议优先采用这种分法。

架构图

这是我在北京联盛德微电子芯片原厂实习时了解到的的芯片架构，以后产品开发的时候绘制软件架构图的时候可以参考一下：