嵌入式系統

2021-05-22

嵌入式系統

嵌入式系統是為特定功能而設計的計算機硬件和軟件的組合。嵌入式系統也可以在更大的系統中運行。該系統可以是可編程的或具有固定的功能。工業(yè)機器，消費電子產(chǎn)品，農業(yè)和加工業(yè)設備，汽車(chē)，醫療設備，照相機，數字手表，家用電器，飛機，自動(dòng)售貨機和玩具以及移動(dòng)設備都是嵌入式系統的可能位置。

盡管嵌入式系統是計算系統，但是它們的范圍可以從沒(méi)有用戶(hù)界面（UI）（例如在設計為執行單個(gè)任務(wù)的設備上）到復雜的圖形用戶(hù)界面（GUI），例如在移動(dòng)設備中。 用戶(hù)界面可以包括 按鈕，LED（發(fā)光二極管）和觸摸屏感應。一些系統也使用遠程用戶(hù)界面。

企業(yè)對企業(yè)（B2B）研究公司MarketsandMarkets預測，到2025年，嵌入式市場(chǎng)的價(jià)值將達到1162億美元。嵌入式系統的芯片制造商包括許多知名的技術(shù)公司。預期的增長(cháng)部分歸因于對 人工智能（AI），移動(dòng)計算的持續投資以及對用于高級處理的芯片的需求。

嵌入式系統的例子

嵌入式系統被用于各行各業(yè)的多種技術(shù)中。一些示例包括：

汽車(chē)?，F代汽車(chē)通常由許多計算機（有時(shí)多達100臺）或嵌入式系統組成，這些計算機旨在執行車(chē)輛內的不同任務(wù)。這些系統中的一些執行基本的實(shí)用程序功能，而其他一些則提供娛樂(lè )或面向用戶(hù)的功能。消費類(lèi)汽車(chē)中的一些嵌入式系統包括巡航控制，后備傳感器，懸架控制，導航系統和安全氣囊系統。

手機。它們由許多嵌入式系統組成，包括GUI軟件和硬件，操作系統（OSes），相機，麥克風(fēng)和USB（通用串行總線(xiàn)）I / O（輸入/輸出）模塊。

工業(yè)機械。它們可以包含嵌入式系統（例如傳感器），也可以是嵌入式系統本身。工業(yè)機器通常具有執行特定監視和控制功能的嵌入式自動(dòng)化系統。

醫療器材。這些可能包含嵌入式系統，例如傳感器和控制機制。醫療設備（例如工業(yè)機器）也必須非常易于使用，以免因可預防的機器錯誤而危害人類(lèi)健康。這意味著(zhù)它們通常會(huì )包括為適當的UI設計的更復雜的OS和GUI。

嵌入式系統如何工作？

嵌入式系統始終充當完整設備的一部分-這就是術(shù)語(yǔ)“嵌入式”的含義。它們是嵌入在其他機械或電氣系統中的低成本，低功耗的小型計算機。通常，它們包括處理器，電源以及內存和通信端口。嵌入式系統使用通信端口通過(guò)通信協(xié)議在處理器和外圍設備（通常是其他嵌入式系統）之間傳輸數據。處理器借助存儲在存儲器中的最少軟件來(lái)解釋此數據。該軟件通常高度特定于嵌入式系統所服務(wù)的功能。

處理器可以是微處理器或微控制器。微控制器只是帶有外圍接口和集成存儲器的微處理器。微處理器將單獨的集成電路用于存儲器和外圍設備，而不是將其包括在芯片中。兩者都可以使用，但是與微處理器相比，微處理器通常需要更多的支持電路，因為集成到微處理器中的較少。經(jīng)常使用術(shù)語(yǔ)片上系統（SoC）。SoC在單個(gè)芯片上包含多個(gè)處理器和接口。它們通常用于大容量嵌入式系統。SoC的一些示例類(lèi)型是專(zhuān)用集成電路（ASIC）和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。

通常，嵌入式系統用于實(shí)時(shí)操作環(huán)境中，并使用實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）與硬件進(jìn)行通信。準實(shí)時(shí)技術(shù)適用于更高級別的芯片能力，這是由越來(lái)越多的設計人員定義的，他們越來(lái)越認為系統通常足夠快并且可以承受反應的微小變化。在這些情況下，通常會(huì )部署精簡(jiǎn)版的Linux操作系統，盡管已經(jīng)精簡(jiǎn)了其他操作系統以在嵌入式系統上運行，包括嵌入式Java和Windows IoT（以前稱(chēng)為Windows Embedded）。

嵌入式系統的特點(diǎn)

嵌入式系統的主要特征是它們是特定于任務(wù)的。

此外，嵌入式系統可以包括以下特征：

通常由硬件，軟件和固件組成；

可以嵌入更大的系統中以執行特定功能，因為它們是為系統內的特殊任務(wù)而不是各種任務(wù)而構建的；

可以是基于微處理器的，也可以是基于微控制器的-兩者都是使系統具有計算能力的集成電路；

通常用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備中的感應和實(shí)時(shí)計算，這些設備是Internet連接的設備，不需要用戶(hù)進(jìn)行操作；

可能會(huì )在復雜性和功能上有所不同，從而影響他們使用的軟件，固件和硬件的類(lèi)型；和

通常需要它們在一定的時(shí)間限制下執行其功能，以保持較大的系統正常運行。

嵌入式系統的結構

嵌入式系統的復雜度各不相同，但通常由三個(gè)主要元素組成：

硬件。嵌入式系統的硬件基于微處理器和微控制器。微處理器與微控制器非常相似，通常指與其他基本計算組件（例如存儲芯片和數字信號處理器（DSP））集成在一起的CPU（中央處理單元）。微控制器將這些組件內置在一個(gè)芯片中。

軟件和固件。嵌入式系統的軟件復雜度可能會(huì )有所不同。但是，工業(yè)級微控制器和嵌入式IoT系統通常運行非常簡(jiǎn)單的軟件，幾乎不需要內存。

實(shí)時(shí)操作系統。這些并不總是包含在嵌入式系統中，尤其是規模較小的系統中。RTOS通過(guò)在程序執行期間監督軟件和設置規則來(lái)定義系統的工作方式。

在硬件方面，基本的嵌入式系統將包含以下元素：

傳感器將物理感應數據轉換為電信號。

模數（AD）轉換器將模擬電信號轉換為數字信號。

處理器處理數字信號并將其存儲在內存中。

數模（DA）轉換器將來(lái)自處理器的數字數據轉換為模擬數據。

執行器將實(shí)際輸出與存儲器存儲的輸出進(jìn)行比較，然后選擇正確的輸出。

傳感器讀取外部輸入，轉換器使該輸入對處理器可讀，然后處理器將這些信息轉換成對嵌入式系統有用的輸出。

嵌入式系統的類(lèi)型

有幾種基本的嵌入式系統類(lèi)型，它們在功能要求上有所不同。他們是：

移動(dòng)嵌入式系統是設計為便攜式的小型系統。數碼相機就是一個(gè)例子。

網(wǎng)絡(luò )嵌入式系統連接到網(wǎng)絡(luò )以向其他系統提供輸出。示例包括家庭安全系統和銷(xiāo)售點(diǎn)（POS）系統。

獨立嵌入式系統不依賴(lài)于主機系統。像任何嵌入式系統一樣，它們執行專(zhuān)門(mén)的任務(wù)。但是，與其他嵌入式系統不同，它們不一定屬于主機系統。計算器或MP3播放器就是一個(gè)例子。

實(shí)時(shí)嵌入式系統在定義的時(shí)間間隔內提供所需的輸出。它們經(jīng)常用于醫療，工業(yè)和軍事領(lǐng)域，因為它們負責時(shí)間緊迫的任務(wù)。交通控制系統就是一個(gè)例子。

嵌入式系統也可以根據其性能要求進(jìn)行分類(lèi)：

小型嵌入式系統通常只使用8位微控制器。

中型嵌入式系統使用較大的微控制器（16-32位），并且經(jīng)常將微控制器鏈接在一起。

復雜的嵌入式系統通常使用幾種算法，導致軟件和硬件復雜，并且可能需要更復雜的軟件，可配置的處理器和/或可編程的邏輯陣列。

有幾種常見(jiàn)的嵌入式系統軟件體系結構，隨著(zhù)嵌入式系統的發(fā)展和規模的日益復雜化，這些體系結構變得必不可少。這些包括：

簡(jiǎn)單的控制循環(huán)調用子例程，該子例程管理硬件或嵌入式編程的特定部分。

中斷控制系統有兩個(gè)循環(huán)：一個(gè)主循環(huán)和一個(gè)次循環(huán)。循環(huán)中斷會(huì )觸發(fā)任務(wù)。

協(xié)作多任務(wù)本質(zhì)上是位于應用程序編程接口（API）中的簡(jiǎn)單控制循環(huán)。

搶占式多任務(wù)或多線(xiàn)程通常與RTOS一起使用，并具有同步和任務(wù)切換策略。

超大規模集成（VLSI）是一個(gè)描述集成電路（IC）復雜性的術(shù)語(yǔ)。VLSI是將數十萬(wàn)個(gè)晶體管嵌入芯片的過(guò)程，而LSI（大規模集成）微芯片包含數千個(gè)晶體管，MSI（中等規模集成）包含數百個(gè)晶體管，而SSI（小規模集成）包含數十個(gè)晶體管。ULSI或超大規模集成是指在芯片上放置數百萬(wàn)個(gè)晶體管。

VLSI電路是嵌入式系統的常見(jiàn)功能。嵌入式系統中的許多IC都是VLSI，而VLSI首字母縮略詞的使用已大失所望。

調試嵌入式系統

一個(gè)領(lǐng)域，與其他較大規模的計算機的操作系統和開(kāi)發(fā)環(huán)境嵌入式系統的一部分的方式是在該地區的調試。通常，與臺式計算機環(huán)境一起工作的開(kāi)發(fā)人員擁有的系統既可以運行正在開(kāi)發(fā)的代碼，又可以運行單獨的調試器應用程序，而這些調試器應用程序通常不能監視嵌入式系統程序員。

一些編程語(yǔ)言以足夠高的效率在微控制器上運行，從而可以在芯片上直接進(jìn)行基本的交互式調試。此外，處理器通常具有可通過(guò)JTAG或類(lèi)似調試端口進(jìn)行控制（從而控制程序執行）的CPU調試器。

但是，在許多情況下，程序員需要通過(guò)串行端口或其他端口將單獨的調試系統連接到目標系統的工具。在這種情況下，程序員可以在通用計算機的屏幕上看到源代碼，就像在臺式計算機上調試軟件一樣。另一種常用的方法是在PC上運行軟件，以模擬軟件中的物理芯片。本質(zhì)上，這使調試軟件的性能成為可能，就像它在實(shí)際的物理芯片上運行一樣。

廣義上講，嵌入式系統已被更多地關(guān)注于測試和調試，因為大量使用嵌入式控件的設備是為使用而設計的，尤其是在安全性和可靠性為重中之重的情況下。

嵌入式系統的歷史

嵌入式系統的歷史可以追溯到1960年代。查爾斯·史塔克·德雷珀（Charles Stark Draper）于1961年開(kāi)發(fā)了一種集成電路，以減小阿波羅制導計算機（安裝在阿波羅指揮模塊和月球模塊上的數字系統）的尺寸和重量。第一臺使用IC的計算機，它幫助宇航員收集實(shí)時(shí)飛行數據。

1965年，現為波音公司一部分的Autonetics公司開(kāi)發(fā)了D-17B，這是一種用于Minuteman I導彈制導系統的計算機。它被公認為第一個(gè)大規模生產(chǎn)的嵌入式系統。1966年民兵II投入生產(chǎn)時(shí)，D-17B被NS-17導彈制導系統所取代，該系統以大量使用集成電路而著(zhù)稱(chēng)。1968年，第一個(gè)車(chē)載嵌入式系統問(wèn)世。大眾1600使用微處理器來(lái)控制其電子燃油噴射系統。

到1960年代末和1970年代初，集成電路的價(jià)格下降，使用量激增。第一個(gè)微控制器是由德州儀器（Texas Instruments）于1971年開(kāi)發(fā)的。TMS1000系列于1974年商用，它包含一個(gè)4位處理器，只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM），價(jià)格約為2美元。批量訂購。

同樣，在1971年，英特爾發(fā)布了被公認為第一個(gè)商用處理器，即4004。4位微處理器設計用于計算器和小型電子設備，盡管它需要永恒的內存和支持芯片。1972年發(fā)布的8位Intel 8008具有16 KB的內存。隨后是1974年的Intel 8080，具有64 KB的內存。8080的后繼產(chǎn)品x86系列于1978年發(fā)布，至今仍在大量使用。

1987年，Wind River發(fā)布了第一個(gè)嵌入式操作系統實(shí)時(shí)VxWorks，隨后在1996年發(fā)布了Microsoft的Windows Embedded CE。到1990年代后期，第一個(gè)嵌入式Linux產(chǎn)品開(kāi)始出現。如今，幾乎所有嵌入式設備都使用Linux。

嵌入式系統趨勢

盡管某些嵌入式系統可能相對簡(jiǎn)單，但它們卻變得越來(lái)越復雜，并且越來(lái)越多的嵌入式系統現在能夠代替人為的決策或提供超出人所能提供的功能。例如，某些航空系統，包括在無(wú)人機中使用的那些系統，能夠集成傳感器數據并以比人類(lèi)更快的速度作用于該信息，從而允許新型的操作功能。

嵌入式系統預計將繼續快速增長(cháng)，這在很大程度上是由物聯(lián)網(wǎng)驅動(dòng)的。預計可擴展的物聯(lián)網(wǎng)應用（例如可穿戴設備，無(wú)人機，智能家居，智能建筑，視頻監控，3D打印機和智能交通）將推動(dòng)嵌入式系統的增長(cháng)。