嵌入式系统

嵌入式系统的示例

嵌入式系统被广泛应用于多个行业的技术中。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，它们被设计用来在汽车内执行不同的任务。其中一些系统执行基本的实用功能，另一些系统提供娱乐或面向用户的功能。一些嵌入式系统在消费车辆包括巡航控制，备用传感器，悬架控制，导航系统和安全气囊系统。
• 移动电话。这些包括许多嵌入式系统，包括GUI软件和硬件，操作系统（OS），摄像机，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。工业机器通常有嵌入式自动化系统，执行特定的监视和控制功能。
• 医疗器材。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，也必须非常便于使用，这样人类的健康才不会因为可预防的机器错误而受到危害。这意味着它们通常会包含更复杂的操作系统和为合适的UI而设计的GUI。

嵌入式系统如何工作？

嵌入式系统始终用作完整设备的一部分 - 这就是该术语的意思嵌入式。它们是低成本、低功耗、嵌入其他机械或电气系统的小型计算机。通常，它们包括处理器、电源、存储器和通信端口。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。处理器利用存储在内存中的最小软件来解释这些数据。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内存的微处理器。微处理器使用单独的集成电路来存储和外设，而不是将它们包含在芯片上。两者都可以使用，但微处理器通常比微控制器需要更多的支持电路，因为微处理器集成的电路较少。这个词芯片上的系统（SoC)经常使用。SOC包括单个芯片上的多个处理器和接口。它们通常用于大批量嵌入式系统。一些示例SOC类型是特定于应用的集成电路（ASIC.）和现场可编程门阵列（FPGA)。

嵌入式系统通常用于实时操作环境，并使用实时操作系统(RTOS)与硬件通信。近实时方法适用于更高水平的芯片能力，这是由越来越多的设计师决定的，他们认为系统通常足够快，任务容忍轻微的反应变化。在这些例子中，简化版的Linux.操作系统通常被部署，尽管其他操作系统已经被削减，以运行在嵌入式系统上，包括嵌入式Java.以及Windows IoT(前身为Windows Embedded)。

嵌入式系统的特点

嵌入式系统的主要特点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;
• 可以嵌入在更大的系统中以执行特定功能，因为它们是系统内的专用任务，而不是各种任务;
• 可以是基于微处理器的或基于微控制器的 - 两者都是集成电路，使系统计算功率;
• 常用于物联网(IOT.)设备，即已连入互联网而无须用户操作的设备;
• 可能在复杂性和功能上有所不同，这影响了他们所使用的软件、固件和硬件的类型;和
• 通常需要在时间约束下执行其功能，以保持更大的系统正常运行。

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，并且通常是指与其他基本计算组件相结合的CPU（中央处理单元），例如存储器芯片和数字信号处理器（DSPS.)。微控制器将这些组件内置成一芯片。
• 软件和固件。嵌入式系统的软件可能在复杂性上有所不同。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，尤其是较小的系统中。RTOSE定义系统如何​​通过监督程序执行期间的软件和设置规则来运行。

在硬件方面，基本嵌入式系统将包括以下元素：

• 传感器将物理感测数据转换为电信号。
• 模拟-数字转换器(模拟)把模拟电信号转换成数字信号。
• 处理器处理数字信号并将其存储在内存中。
• 数模转换数字-模拟转换器将数字数据从处理器更改为模拟数据。
• 执行器将实际输出与内存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，转换器使输入对处理器可读，处理器将信息转换为嵌入式系统的有用输出。

嵌入式系统的类型

有一些基本的嵌入式系统类型，其功能要求不同。他们是：

• 移动嵌入式系统是设计为便携的小型系统。数码相机就是一个例子。
• 网络嵌入式系统连接到网络，向其他系统提供输出。例子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，它们执行特定的任务。然而，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中提供所需的输出。它们通常用于医疗，工业和军队，因为它们负责时间关键任务。交通控制系统是一个例子。

嵌入式系统也可以通过其性能要求进行分类：

• 小型嵌入式系统经常使用不超过8位微控制器。
• 中等规模的嵌入式系统使用一个较大的微控制器(16-32位)，并经常将微控制器连接在一起。
• 高级的嵌入式系统经常使用几种算法，导致软件和硬件的复杂性，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体系结构，随着嵌入式系统的发展和规模的扩大，它们变得非常必要。这些包括:

• 简单的控制回路调用子程序，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:一个主要的和一个次要的。循环中的中断会触发任务。
• 合作多任务本质上是一个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。

非常大规模集成,或VLSI.，是描述集成电路的复杂性的术语（集成电路)。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，SSI(小规模集成)包含数十个晶体管。超大规模集成(ULSI)指的是在一块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是VLSIS，并且VLSI首字母缩略词的使用在很大程度上已经失望了。

调试嵌入式系统

嵌入式系统与其他大规模计算机的操作系统和开发环境的嵌入式系统的一个领域在该领域调试。通常，使用桌面计算机环境的开发人员具有可以运行正在开发的代码和单独的调试器应用程序，这些应用程序通常不能监视嵌入式系统程序员。然而，通常不能监视嵌入式系统程序员。

一些编程语言运行在微控制器上的效率足够高，基本的交互式调试可以直接在芯片上使用。此外，处理器通常有CPU调试器，可以通过JTAG或类似的调试端口控制它，从而控制程序的执行。

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附加到目标系统上的工具。在这种情况下，程序员可以在一台通用计算机的屏幕上看到源代码，就像在台式机上调试软件一样。一种单独的、常用的方法是在模拟软件中的物理芯片的PC机上运行软件。这使得调试软件的性能成为可能，就像在实际的物理芯片上运行一样。

广义地说，嵌入式系统在测试和调试方面受到了越来越多的关注，因为大量使用嵌入式控制的设备都是为使用而设计的，特别是在安全性和可靠性是最重要的情况下。

嵌入式系统的历史

嵌入式系统返回20世纪60年代。Charles Stark Draper于1961年开发了一个集成电路，以降低Apollo指导计算机的尺寸和重量，该数字系统安装在Apollo命令模块和月球模块上。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，现在是波音的一部分，开发了D-17B，电脑在Minuteman I导弹指导系统中使用。它被广泛认可为第一个批量生产的嵌入式系统。当Minuteman II于1966年进入生产时，D-17B被NS-17导弹引导系统取代，已知其高批量使用集成电路。1968年，释放了第一台车辆的嵌入式系统;大众汽车1600使用微处理器来控制其电子燃油喷射系统。

到20世纪60年代后期和20世纪70年代初，集成电路的价格下降和使用飙升。第一个微控制器是由德州仪器于1971年开发的。TMS1000系列于1974年商购获得，包含4位处理器，只读存储器（ROM）和随机存取存储器（内存），它占批量订单的2美元左右。

此外，1971年，英特尔释放了广泛认为是第一商业上可获得的处理器，4004。4位微处理器设计用于计算器和小型电子产品，但它需要永恒内存和支持芯片。1972年发布的8位Intel 8008有16 kB的记忆;英特尔8080遵循1974年，内存为64 kB。8080年代的继承者X86系列于1978年发布，仍然在很大程度上在今天使用。

1987年，第一个嵌入式操作系统，实时VxWorks由Wind River发布，其次是Microsoft的Windows嵌入式CE于1996年。到20世纪90年代末，第一个嵌入式Linux产品开始出现。如今，Linux几乎所有嵌入式设备都使用。

嵌入式系统的发展趋势

虽然一些嵌入式系统可以比较简单，但它们变得越来越复杂，而且它们现在可以越来越多地能够取代人类决策或提供超出人类可以提供的东西的能力。例如，一些航空系统，包括用于使用的系统无人驾驶飞机，能够整合传感器数据并比人类更快地根据这些信息采取行动，从而产生了新的操作特征。

嵌入式系统预计将继续快速增长，在很大程度上受到物联网的推动。拓展物联网应用，如可穿戴设备，无人机，智能家居、智能建筑、视频监控、3D打印机和智能运输，预计会燃料嵌入系统的增长。