东田科普|嵌入式系统使用案例

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。预期增长的部分原因是对 人工智能（AI）、移动计算的持续投资以及对处理芯片的需求。

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，旨在执行车内的不同任务。其中一些系统执行基本的实用功能，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、倒车传感器、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)、摄像头、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，例如传感器，也可以本身就是嵌入式系统。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。

- 医用器材。这些可能包含传感器和控制机制等嵌入式系统。工业机器等医疗设备也必须非常人性化，这样人类健康才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。一般来说，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这些数据。软件通常针对嵌入式系统所服务的功能高度特定。

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。微处理器对存储器和外围设备使用单独的集成电路，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，因为微处理器中集成的电路较少。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。一些示例 SoC 类型包括专用集成电路 ( 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，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别的芯片功能，由设计人员定义，他们越来越认为系统通常足够快，并且任务可以容忍反应的轻微变化。在这些情况下，通常部署Linux操作系统的精简版本，尽管其他操作系统已被削减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 )）集成的 CPU（中央处理单元）。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，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，尤其是小型系统。RTOS 通过在程序执行期间监控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由以下元素组成：

- 传感器将物理传感数据转换为电信号。

- 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) 转换器将处理器中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的输出进行比较，并选择正确的输出。

传感器读取外部输入，转换器使该输入可供处理器读取，处理器将该信息转换为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，它们的功能要求各不相同。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为其他系统提供输出。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。与任何嵌入式系统一样，它们执行专门的任务。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内提供所需的输出。它们经常用于医疗、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。

嵌入式系统还可以根据其性能要求进行分类：

- 小型嵌入式系统通常使用不超过 8 位的微控制器。

- 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，这些算法导致软件和硬件复杂性，并且可能需要更复杂的软件、可配置处理器和/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。这些包括：

- 简单的控制循环调用子例程，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环路：主环路和辅助环路。循环中的中断会触发任务。

- 协作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到芯片中的过程，而LSI（大规模集成）微芯片包含数千个晶体管，MSI（中规模集成）包含数百个晶体管，SSI（小规模集成）包含数十个晶体管。ULSI，即超大规模集成，是指在一个芯片上放置数百万个晶体管。

VLSI 电路是嵌入式系统的共同特征。嵌入式系统中的许多 IC 都是 VLSI，而 VLSI 缩写词的使用在很大程度上已经不再受欢迎。

调试嵌入式系统

嵌入式系统与其他大型计算机的操作系统和开发环境不同的一个领域是调试领域。通常，使用桌面计算机环境的开发人员拥有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来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，处理器通常具有可通过 JTAG 或类似调试端口进行控制的 CPU 调试器，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的情况一样。另一种常用的方法是在 PC 上运行软件，以软件方式模拟物理芯片。这本质上使得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。

从广义上讲，嵌入式系统越来越受到测试和调试的关注，因为大量使用嵌入式控制的设备是为使用而设计的，特别是在安全性和可靠性是首要考虑的情况下。

在嵌入式系统调试的领域中，为了确保设备的安全性和可靠性，选择适合的工具和解决方案至关重要。作为一家专注于嵌入式技术领域的公司，杭州东田科技有限公司引领着嵌入式系统的发展。