嵌入式系统

2021-05-22

嵌入式系统

嵌入式系统是為(wèi)特定功能(néng)而设计的计算机硬件和软件的组合。嵌入式系统也可(kě)以在更大的系统中运行。该系统可(kě)以是可(kě)编程的或具有(yǒu)固定的功能(néng)。工业机器，消费電(diàn)子产品，农业和加工业设备，汽車(chē)，医疗设备，照相机，数字手表，家用(yòng)電(diàn)器，飞机，自动售货机和玩具以及移动设备都是嵌入式系统的可(kě)能(néng)位置。

尽管嵌入式系统是计算系统，但是它们的范围可(kě)以从没有(yǒu)用(yòng)户界面（UI）（例如在设计為(wèi)执行单个任務(wù)的设备上）到复杂的图形用(yòng)户界面（GUI），例如在移动设备中。 用(yòng)户界面可(kě)以包括 按钮，LED（发光二极管）和触摸屏感应。一些系统也使用(yòng)遠(yuǎn)程用(yòng)户界面。

企业对企业（B2B）研究公司MarketsandMarkets预测，到2025年，嵌入式市场的价值将达到1162亿美元。嵌入式系统的芯片制造商(shāng)包括许多(duō)知名的技术公司。预期的增長(cháng)部分(fēn)归因于对 人工智能(néng)（AI），移动计算的持续投资以及对用(yòng)于高级处理(lǐ)的芯片的需求。

嵌入式系统的例子

嵌入式系统被用(yòng)于各行各业的多(duō)种技术中。一些示例包括：

汽車(chē)。现代汽車(chē)通常由许多(duō)计算机（有(yǒu)时多(duō)达100台）或嵌入式系统组成，这些计算机旨在执行車(chē)辆内的不同任務(wù)。这些系统中的一些执行基本的实用(yòng)程序功能(néng)，而其他(tā)一些则提供娱乐或面向用(yòng)户的功能(néng)。消费类汽車(chē)中的一些嵌入式系统包括巡航控制，后备传感器，悬架控制，导航系统和安全气囊系统。

手机。它们由许多(duō)嵌入式系统组成，包括GUI软件和硬件，操作系统（OSes），相机，麦克风和USB（通用(yòng)串行总線(xiàn)）I / O（输入/输出）模块。

工业机械。它们可(kě)以包含嵌入式系统（例如传感器），也可(kě)以是嵌入式系统本身。工业机器通常具有(yǒu)执行特定监视和控制功能(néng)的嵌入式自动化系统。

医疗器材。这些可(kě)能(néng)包含嵌入式系统，例如传感器和控制机制。医疗设备（例如工业机器）也必须非常易于使用(yòng)，以免因可(kě)预防的机器错误而危害人类健康。这意味着它们通常会包括為(wèi)适当的UI设计的更复杂的OS和GUI。

嵌入式系统如何工作？

嵌入式系统始终充当完整设备的一部分(fēn)-这就是术语“嵌入式”的含义。它们是嵌入在其他(tā)机械或電(diàn)气系统中的低成本，低功耗的小(xiǎo)型计算机。通常，它们包括处理(lǐ)器，電(diàn)源以及内存和通信端口。嵌入式系统使用(yòng)通信端口通过通信协议在处理(lǐ)器和外围设备（通常是其他(tā)嵌入式系统）之间传输数据。处理(lǐ)器借助存储在存储器中的最少软件来解释此数据。该软件通常高度特定于嵌入式系统所服務(wù)的功能(néng)。

处理(lǐ)器可(kě)以是微处理(lǐ)器或微控制器。微控制器只是带有(yǒu)外围接口和集成存储器的微处理(lǐ)器。微处理(lǐ)器将单独的集成電(diàn)路用(yòng)于存储器和外围设备，而不是将其包括在芯片中。两者都可(kě)以使用(yòng)，但是与微处理(lǐ)器相比，微处理(lǐ)器通常需要更多(duō)的支持電(diàn)路，因為(wèi)集成到微处理(lǐ)器中的较少。经常使用(yòng)术语片上系统（SoC）。SoC在单个芯片上包含多(duō)个处理(lǐ)器和接口。它们通常用(yòng)于大容量嵌入式系统。SoC的一些示例类型是专用(yòng)集成電(diàn)路（ASIC）和现场可(kě)编程门阵列（FPGA）。

通常，嵌入式系统用(yòng)于实时操作环境中，并使用(yòng)实时操作系统（RTOS）与硬件进行通信。准实时技术适用(yòng)于更高级别的芯片能(néng)力，这是由越来越多(duō)的设计人员定义的，他(tā)们越来越认為(wèi)系统通常足够快并且可(kě)以承受反应的微小(xiǎo)变化。在这些情况下，通常会部署精简版的Linux操作系统，尽管已经精简了其他(tā)操作系统以在嵌入式系统上运行，包括嵌入式Java和Windows IoT（以前称為(wèi)Windows Embedded）。

嵌入式系统的特点

嵌入式系统的主要特征是它们是特定于任務(wù)的。

此外，嵌入式系统可(kě)以包括以下特征：

通常由硬件，软件和固件组成；

可(kě)以嵌入更大的系统中以执行特定功能(néng)，因為(wèi)它们是為(wèi)系统内的特殊任務(wù)而不是各种任務(wù)而构建的；

可(kě)以是基于微处理(lǐ)器的，也可(kě)以是基于微控制器的-两者都是使系统具有(yǒu)计算能(néng)力的集成電(diàn)路；

通常用(yòng)于物(wù)联网（IoT）设备中的感应和实时计算，这些设备是Internet连接的设备，不需要用(yòng)户进行操作；

可(kě)能(néng)会在复杂性和功能(néng)上有(yǒu)所不同，从而影响他(tā)们使用(yòng)的软件，固件和硬件的类型；和

通常需要它们在一定的时间限制下执行其功能(néng)，以保持较大的系统正常运行。

嵌入式系统的结构

嵌入式系统的复杂度各不相同，但通常由三个主要元素组成：

硬件。嵌入式系统的硬件基于微处理(lǐ)器和微控制器。微处理(lǐ)器与微控制器非常相似，通常指与其他(tā)基本计算组件（例如存储芯片和数字信号处理(lǐ)器（DSP））集成在一起的CPU（中央处理(lǐ)单元）。微控制器将这些组件内置在一个芯片中。

软件和固件。嵌入式系统的软件复杂度可(kě)能(néng)会有(yǒu)所不同。但是，工业级微控制器和嵌入式IoT系统通常运行非常简单的软件，几乎不需要内存。

实时操作系统。这些并不总是包含在嵌入式系统中，尤其是规模较小(xiǎo)的系统中。RTOS通过在程序执行期间监督软件和设置规则来定义系统的工作方式。

在硬件方面，基本的嵌入式系统将包含以下元素：

传感器将物(wù)理(lǐ)感应数据转换為(wèi)電(diàn)信号。

模数（AD）转换器将模拟電(diàn)信号转换為(wèi)数字信号。

处理(lǐ)器处理(lǐ)数字信号并将其存储在内存中。

数模（DA）转换器将来自处理(lǐ)器的数字数据转换為(wèi)模拟数据。

执行器将实际输出与存储器存储的输出进行比较，然后选择正确的输出。

传感器读取外部输入，转换器使该输入对处理(lǐ)器可(kě)读，然后处理(lǐ)器将这些信息转换成对嵌入式系统有(yǒu)用(yòng)的输出。

嵌入式系统的类型

有(yǒu)几种基本的嵌入式系统类型，它们在功能(néng)要求上有(yǒu)所不同。他(tā)们是：

移动嵌入式系统是设计為(wèi)便携式的小(xiǎo)型系统。数码相机就是一个例子。

网络嵌入式系统连接到网络以向其他(tā)系统提供输出。示例包括家庭安全系统和销售点（POS）系统。

独立嵌入式系统不依赖于主机系统。像任何嵌入式系统一样，它们执行专门的任務(wù)。但是，与其他(tā)嵌入式系统不同，它们不一定属于主机系统。计算器或MP3播放器就是一个例子。

实时嵌入式系统在定义的时间间隔内提供所需的输出。它们经常用(yòng)于医疗，工业和军事领域，因為(wèi)它们负责时间紧迫的任務(wù)。交通控制系统就是一个例子。

嵌入式系统也可(kě)以根据其性能(néng)要求进行分(fēn)类：

小(xiǎo)型嵌入式系统通常只使用(yòng)8位微控制器。

中型嵌入式系统使用(yòng)较大的微控制器（16-32位），并且经常将微控制器链接在一起。

复杂的嵌入式系统通常使用(yòng)几种算法，导致软件和硬件复杂，并且可(kě)能(néng)需要更复杂的软件，可(kě)配置的处理(lǐ)器和/或可(kě)编程的逻辑阵列。

有(yǒu)几种常见的嵌入式系统软件體(tǐ)系结构，随着嵌入式系统的发展和规模的日益复杂化，这些體(tǐ)系结构变得必不可(kě)少。这些包括：

简单的控制循环调用(yòng)子例程，该子例程管理(lǐ)硬件或嵌入式编程的特定部分(fēn)。

中断控制系统有(yǒu)两个循环：一个主循环和一个次循环。循环中断会触发任務(wù)。

协作多(duō)任務(wù)本质上是位于应用(yòng)程序编程接口（API）中的简单控制循环。

抢占式多(duō)任務(wù)或多(duō)線(xiàn)程通常与RTOS一起使用(yòng)，并具有(yǒu)同步和任務(wù)切换策略。

超大规模集成（VLSI）是一个描述集成電(diàn)路（IC）复杂性的术语。VLSI是将数十万个晶體(tǐ)管嵌入芯片的过程，而LSI（大规模集成）微芯片包含数千个晶體(tǐ)管，MSI（中等规模集成）包含数百个晶體(tǐ)管，而SSI（小(xiǎo)规模集成）包含数十个晶體(tǐ)管。ULSI或超大规模集成是指在芯片上放置数百万个晶體(tǐ)管。

VLSI電(diàn)路是嵌入式系统的常见功能(néng)。嵌入式系统中的许多(duō)IC都是VLSI，而VLSI首字母缩略词的使用(yòng)已大失所望。

调试嵌入式系统

一个领域，与其他(tā)较大规模的计算机的操作系统和开发环境嵌入式系统的一部分(fēn)的方式是在该地區(qū)的调试。通常，与台式计算机环境一起工作的开发人员拥有(yǒu)的系统既可(kě)以运行正在开发的代码，又(yòu)可(kě)以运行单独的调试器应用(yòng)程序，而这些调试器应用(yòng)程序通常不能(néng)监视嵌入式系统程序员。

一些编程语言以足够高的效率在微控制器上运行，从而可(kě)以在芯片上直接进行基本的交互式调试。此外，处理(lǐ)器通常具有(yǒu)可(kě)通过JTAG或类似调试端口进行控制（从而控制程序执行）的CPU调试器。

但是，在许多(duō)情况下，程序员需要通过串行端口或其他(tā)端口将单独的调试系统连接到目标系统的工具。在这种情况下，程序员可(kě)以在通用(yòng)计算机的屏幕上看到源代码，就像在台式计算机上调试软件一样。另一种常用(yòng)的方法是在PC上运行软件，以模拟软件中的物(wù)理(lǐ)芯片。本质上，这使调试软件的性能(néng)成為(wèi)可(kě)能(néng)，就像它在实际的物(wù)理(lǐ)芯片上运行一样。

广义上讲，嵌入式系统已被更多(duō)地关注于测试和调试，因為(wèi)大量使用(yòng)嵌入式控件的设备是為(wèi)使用(yòng)而设计的，尤其是在安全性和可(kě)靠性為(wèi)重中之重的情况下。

嵌入式系统的历史

嵌入式系统的历史可(kě)以追溯到1960年代。查尔斯·史塔克·德雷珀（Charles Stark Draper）于1961年开发了一种集成電(diàn)路，以减小(xiǎo)阿波罗制导计算机（安装在阿波罗指挥模块和月球模块上的数字系统）的尺寸和重量。第一台使用(yòng)IC的计算机，它帮助宇航员收集实时飞行数据。

1965年，现為(wèi)波音公司一部分(fēn)的Autonetics公司开发了D-17B，这是一种用(yòng)于Minuteman I导弹制导系统的计算机。它被公认為(wèi)第一个大规模生产的嵌入式系统。1966年民(mín)兵II投入生产时，D-17B被NS-17导弹制导系统所取代，该系统以大量使用(yòng)集成電(diàn)路而著称。1968年，第一个車(chē)载嵌入式系统问世。大众1600使用(yòng)微处理(lǐ)器来控制其電(diàn)子燃油喷射系统。

到1960年代末和1970年代初，集成電(diàn)路的价格下降，使用(yòng)量激增。第一个微控制器是由德州仪器（Texas Instruments）于1971年开发的。TMS1000系列于1974年商(shāng)用(yòng)，它包含一个4位处理(lǐ)器，只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），价格约為(wèi)2美元。批量订購(gòu)。

同样，在1971年，英特尔发布了被公认為(wèi)第一个商(shāng)用(yòng)处理(lǐ)器，即4004。4位微处理(lǐ)器设计用(yòng)于计算器和小(xiǎo)型電(diàn)子设备，尽管它需要永恒的内存和支持芯片。1972年发布的8位Intel 8008具有(yǒu)16 KB的内存。随后是1974年的Intel 8080，具有(yǒu)64 KB的内存。8080的后继产品x86系列于1978年发布，至今仍在大量使用(yòng)。

1987年，Wind River发布了第一个嵌入式操作系统实时VxWorks，随后在1996年发布了Microsoft的Windows Embedded CE。到1990年代后期，第一个嵌入式Linux产品开始出现。如今，几乎所有(yǒu)嵌入式设备都使用(yòng)Linux。

嵌入式系统趋势

尽管某些嵌入式系统可(kě)能(néng)相对简单，但它们却变得越来越复杂，并且越来越多(duō)的嵌入式系统现在能(néng)够代替人為(wèi)的决策或提供超出人所能(néng)提供的功能(néng)。例如，某些航空系统，包括在无人机中使用(yòng)的那些系统，能(néng)够集成传感器数据并以比人类更快的速度作用(yòng)于该信息，从而允许新(xīn)型的操作功能(néng)。

嵌入式系统预计将继续快速增長(cháng)，这在很(hěn)大程度上是由物(wù)联网驱动的。预计可(kě)扩展的物(wù)联网应用(yòng)（例如可(kě)穿戴设备，无人机，智能(néng)家居，智能(néng)建筑，视频监控，3D打印机和智能(néng)交通）将推动嵌入式系统的增長(cháng)。