嵌入式系统（详解embedded system）

定议

嵌入式系统，英文全称是embedded system。是为特定功能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。系统可以编程或具有固定功能。工业机械、消费电子产品、农业和加工业设备、汽车、医疗设备、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。

虽然嵌入式系统是计算系统，但它们的范围可以从没有用户界面（UI）（例如，在设计用于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。某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科技公司，如苹果、IBM、英特尔和德州仪器。预期增长部分是由于对人工智能（AI）、移动计算的持续投资以及对专为高级处理而设计的芯片的需求。

嵌入式系统示例

嵌入式系统广泛应用于各行各业的各种技术中。一些例子包括：

• 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，旨在执行车辆内的不同任务。其中一些系统执行基本的实用程序功能，而其他系统则提供娱乐或面向用户的功能。消费类车辆中的一些嵌入式系统包括巡航控制、备用传感器、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（OS），相机，麦克风和USB（通用串行总线）I / O（输入/输出）模块。
• 工业机器。它们可以包含嵌入式系统，如传感器，也可以是嵌入式系统本身。工业机器通常具有嵌入式自动化系统，可执行特定的监视和控制功能。
• 医疗设备。这些可能包含嵌入式系统，如传感器和控制机制。医疗设备，如工业机器，也必须非常用户友好，这样人类健康就不会因可预防的机器错误而受到危害。这意味着它们通常会包含为适当的 UI 设计的更复杂的操作系统和 GUI。

嵌入式系统如何工作？

嵌入式系统（embedded system）始终作为完整设备的一部分运行 - 这就是术语嵌入式的含义。它们是嵌入其他机械或电气系统的低成本、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，使用通信协议。处理器借助存储在内存上的最小软件来解释这些数据。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设接口和集成存储器的微处理器。微处理器使用单独的集成电路用于存储器和外设，而不是将它们包含在芯片上。两者都可以使用，但微处理器通常需要比微控制器更多的支持电路，因为微处理器的集成度较少。经常使用术语片上系统 （SoC）。SoC 在单个芯片上包括多个处理器和接口。它们通常用于大批量嵌入式系统。一些示例 SoC 类型是专用集成电路 （ASIC） 和现场可编程门阵列 （FPGA）。

嵌入式系统用于实时操作环境，并使用实时操作系统（RTOS）与硬件进行通信。近实时方法适用于更高水平的芯片功能，由设计人员定义，他们越来越多地认为系统通常足够快，并且任务可以容忍反应的微小变化。在这些情况下，通常部署精简版本的Linux操作系统，尽管其他操作系统已被缩减为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：

• 由硬件、软件和固件组成;
• 可以嵌入到更大的系统中以执行特定功能，因为它们是为系统内的专门任务而不是各种任务而构建的;
• 可以基于微处理器或基于微控制器 - 两者都是提供系统计算能力的集成电路;
• 通常用于物联网 （IoT） 设备中的传感和实时计算，这些设备是连接互联网且不需要用户操作的设备;
• 复杂性和功能可能有所不同，这会影响他们使用的软件、固件和硬件的类型;和
• 通常需要在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

嵌入式系统的复杂性各不相同，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，通常是指与其他基本计算组件（如存储芯片和数字信号处理器（DSP））集成的CPU（中央处理器）。微控制器将这些组件内置到一个芯片中。
• 软件和固件。嵌入式系统软件的复杂性各不相同。然而，工业级微控制器和嵌入式物联网系统通常运行非常简单的软件，只需要很少的内存。
• 实时操作系统。这些并不总是包含在嵌入式系统中，尤其是较小规模的系统中。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括以下元素：

• 传感器将物理传感数据转换为电信号。
• 模数 （A-D） 转换器将模拟电信号转换为数字电信号。
• 处理器处理数字信号并将其存储在内存中。
• 数模 （D-A） 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内存存储输出进行比较，并选择正确的输出。

传感器读取外部输入，转换器使该输入对处理器可读，处理器将该信息转换为嵌入式系统的有用输出。

嵌入式系统的类型

有几种基本的嵌入式系统类型，它们的功能要求不同。它们是：

• 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。
• 联网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。
• 独立的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。它们通常用于医疗、工业和军事部门，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。

嵌入式系统也可以按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），并且通常将微控制器连接在一起。
• 复杂规模的嵌入式系统通常使用多种算法，导致软件和硬件的复杂性，并且可能需要更复杂的软件、可配置的处理器和/或可编程逻辑阵列。

有几种常见的嵌入式系统软件架构，随着嵌入式系统的发展和规模变得更加复杂，这些架构变得必要。其中包括：

• 简单的控制回路调用子例程，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回路：一个主回路和一个次回路。循环中的中断会触发任务。
• 协作式多任务处理本质上是位于应用程序编程接口 （API） 中的简单控制回路。
• 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（中等集成）包含数百个晶体管，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特性。嵌入式系统中的许多IC都是VLSI，VLSI首字母缩略词的使用在很大程度上已经失宠。

调试嵌入式系统

嵌入式系统（embedded system）与其他大型计算机的操作系统和开发环境分道扬镳的一个领域是调试领域。通常，使用台式计算机环境的开发人员的系统既可以运行正在开发的代码，也可以运行单独的调试器应用程序，但是，可以监视嵌入式系统程序员通常不能。

一些编程语言在微控制器上运行的效率足够高，可以直接在芯片上进行基本的交互式调试。此外，处理器通常具有CPU调试器，可以通过JTAG或类似的调试端口进行控制，从而控制程序执行。

然而，在许多情况下，程序员需要通过串行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。一种单独的常用方法是在PC上运行软件，该PC模拟软件中的物理芯片。这实质上使得调试软件的性能成为可能，就好像它在实际的物理芯片上运行一样。

从广义上讲，嵌入式系统在测试和调试方面受到更多关注，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是重中之重的情况下。

嵌入式系统的历史

嵌入式系统（embedded system）可以追溯到 1960 年代。 查尔斯·斯塔克·德雷珀于 1961 年开发了一种集成电路，以减小阿波罗制导计算机的尺寸和重量，阿波罗制导计算机是安装在阿波罗指挥舱和登月舱上的数字系统。作为第一台使用IC的计算机，它帮助宇航员收集实时飞行数据。

1965年，Autonetics（现在是波音公司的一部分）开发了D-17B，这是民兵I导弹制导系统中使用的计算机。它被广泛认为是第一个批量生产的嵌入式系统。当民兵II于1966年投入生产时，D-17B被NS-17导弹制导系统取代，该系统以其大量使用集成电路而闻名。1968年，第一个用于车辆的嵌入式系统发布;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。第一台微控制器由德州仪器于1971年开发。TMS1000系列于1974年上市，包含4位处理器，只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），批量订单的成本约为2美元。

此外，在1971年，英特尔发布了被广泛认为是第一个商用处理器4004。4位微处理器设计用于计算器和小型电子产品，尽管它需要永恒的内存和支持芯片。8 年发布的 8008 位英特尔 1972 具有 16 KB 内存;英特尔 8080 紧随其后，于 1974 年拥有 64 KB 内存。8080的继任者x86系列于1978年发布，至今仍在大量使用。

1987年，第一个嵌入式操作系统，实时VxWorks，由风河发布，随后是微软的Windows Embedded CE在1996年发布。到 1990 年代后期，第一批嵌入式 Linux 产品开始出现。今天，Linux几乎用于所有嵌入式设备。

嵌入式系统趋势

虽然一些嵌入式系统（embedded system）可能相对简单，但它们正变得越来越复杂，越来越多的嵌入式系统现在能够取代人类决策或提供超出人类能力的能力。例如，一些航空系统，包括无人机中使用的系统，能够集成传感器数据，并比人类更快地根据这些信息采取行动，从而允许新的操作功能。

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推动的。不断扩大的物联网应用，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，预计将推动嵌入式系统的增长。