嵌入式系统

2021-05-22

嵌入式系统

嵌入式系统是为特定功能而设计的计算机硬件和软件的组合。嵌入式系统也可以在更大的系统中运行。该系统可以是可编程的或具有固定的功能。工业机器，消费电子产品，农业和加工业设备，汽车，医疗设备，照相机，数字手表，家用电器，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能位置。

尽管嵌入式系统是计算系统，但是它们的范围可以从没有用户界面（UI）（例如在设计为执行单个任务的设备上）到复杂的图形用户界面（GUI），例如在移动设备中。 用户界面可以包括 按钮，LED（发光二极管）和触摸屏感应。一些系统也使用远程用户界面。

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包括许多知名的技术公司。预期的增长部分归因于对 人工智能（AI），移动计算的持续投资以及对用于高级处理的芯片的需求。

嵌入式系统的例子

嵌入式系统被用于各行各业的多种技术中。一些示例包括：

汽车。现代汽车通常由许多计算机（有时多达100台）或嵌入式系统组成，这些计算机旨在执行车辆内的不同任务。这些系统中的一些执行基本的实用程序功能，而其他一些则提供娱乐或面向用户的功能。消费类汽车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（通用串行总线）I / O（输入/输出）模块。

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

医疗器材。这些可能包含嵌入式系统，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，以免因可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为适当的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-这就是术语“嵌入式”的含义。它们是嵌入在其他机械或电气系统中的低成本，低功耗的小型计算机。通常，它们包括处理器，电源以及内存和通信端口。嵌入式系统使用通信端口通过通信协议在处理器和外围设备（通常是其他嵌入式系统）之间传输数据。处理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务的功能。

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

通常，嵌入式系统用于实时操作环境中，并使用实时操作系统（RTOS）与硬件进行通信。准实时技术适用于更高级别的芯片能力，这是由越来越多的设计人员定义的，他们越来越认为系统通常足够快并且可以承受反应的微小变化。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（以前称为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务的。

此外，嵌入式系统可以包括以下特征：

通常由硬件，软件和固件组成；

可以嵌入更大的系统中以执行特定功能，因为它们是为系统内的特殊任务而不是各种任务而构建的；

可以是基于微处理器的，也可以是基于微控制器的-两者都是使系统具有计算能力的集成电路；

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

可能会在复杂性和功能上有所不同，从而影响他们使用的软件，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，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器和微控制器。微处理器与微控制器非常相似，通常指与其他基本计算组件（例如存储芯片和数字信号处理器（DSP））集成在一起的CPU（中央处理单元）。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能会有所不同。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：

传感器将物理感应数据转换为电信号。

模数（AD）转换器将模拟电信号转换为数字信号。

处理器处理数字信号并将其存储在内存中。

数模（DA）转换器将来自处理器的数字数据转换为模拟数据。

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器可读，然后处理器将这些信息转换成对嵌入式系统有用的输出。

嵌入式系统的类型

有几种基本的嵌入式系统类型，它们在功能要求上有所不同。他们是：

移动嵌入式系统是设计为便携式的小型系统。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，它们执行专门的任务。但是，与其他嵌入式系统不同，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。它们经常用于医疗，工业和军事领域，因为它们负责时间紧迫的任务。交通控制系统就是一个例子。

嵌入式系统也可以根据其性能要求进行分类：

小型嵌入式系统通常只使用8位微控制器。

中型嵌入式系统使用较大的微控制器（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几种算法，导致软件和硬件复杂，并且可能需要更复杂的软件，可配置的处理器和/或可编程的逻辑阵列。

有几种常见的嵌入式系统软件体系结构，随着嵌入式系统的发展和规模的日益复杂化，这些体系结构变得必不可少。这些包括：

简单的控制循环调用子例程，该子例程管理硬件或嵌入式编程的特定部分。

中断控制系统有两个循环：一个主循环和一个次循环。循环中断会触发任务。

协作多任务本质上是位于应用程序编程接口（API）中的简单控制循环。

抢占式多任务或多线程通常与RTOS一起使用，并具有同步和任务切换策略。

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

VLSI电路是嵌入式系统的常见功能。嵌入式系统中的许多IC都是VLSI，而VLSI首字母缩略词的使用已大失所望。

调试嵌入式系统

一个领域，与其他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的方式是在该地区的调试。通常，与台式计算机环境一起工作的开发人员拥有的系统既可以运行正在开发的代码，又可以运行单独的调试器应用程序，而这些调试器应用程序通常不能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，从而可以在芯片上直接进行基本的交互式调试。此外，处理器通常具有可通过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，在许多情况下，程序员需要通过串行端口或其他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，程序员可以在通用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。另一种常用的方法是在PC上运行软件，以模拟软件中的物理芯片。本质上，这使调试软件的性能成为可能，就像它在实际的物理芯片上运行一样。

广义上讲，嵌入式系统已被更多地关注于测试和调试，因为大量使用嵌入式控件的设备是为使用而设计的，尤其是在安全性和可靠性为重中之重的情况下。

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年开发了一种集成电路，以减小阿波罗制导计算机（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IC的计算机，它帮助宇航员收集实时飞行数据。

1965年，现为波音公司一部分的Autonetics公司开发了D-17B，这是一种用于Minuteman I导弹制导系统的计算机。它被公认为第一个大规模生产的嵌入式系统。1966年民兵II投入生产时，D-17B被NS-17导弹制导系统所取代，该系统以大量使用集成电路而著称。1968年，第一个车载嵌入式系统问世。大众1600使用微处理器来控制其电子燃油喷射系统。

到1960年代末和1970年代初，集成电路的价格下降，使用量激增。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年商用，它包含一个4位处理器，只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），价格约为2美元。批量订购。

同样，在1971年，英特尔发布了被公认为第一个商用处理器，即4004。4位微处理器设计用于计算器和小型电子设备，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16 KB的内存。随后是1974年的Intel 8080，具有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。

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，几乎所有嵌入式设备都使用Linux。

嵌入式系统趋势

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

嵌入式系统预计将继续快速增长，这在很大程度上是由物联网驱动的。预计可扩展的物联网应用（例如可穿戴设备，无人机，智能家居，智能建筑，视频监控，3D打印机和智能交通）将推动嵌入式系统的增长。