嵌入式系统

嵌入式系统的例子

嵌入式系统应用于多种电气设备中，包括。

• 电信系统将其用于电话、手机网络和Wi-Fi路由器。
• 消费类电子产品包括广播接收器、MP3播放器、移动电话、视频游戏机、数码相机、DVD播放器、GPS接收器、家庭安全系统和打印机。
• 家用电器，如微波炉、洗衣机、防盗报警系统和洗碗机等都有嵌入式系统。
• 交通运输业将嵌入式系统应用于火车、飞机和汽车的机车等一切领域。
• 工业上使用电动机与电子控制器、读卡器和数控机床，自动制造金属零件。
• 医疗设备，如除颤器、自动血压读取器和自动胰岛素泵。
• 军事设备，如对讲机、卫星和导弹的制导系统。

共同特点

• 与通用计算机不同，嵌入式系统是为了完成特定任务而设计的。
• 它看起来不像一台电脑--可能没有一个完整的显示器或键盘。
• 许多嵌入式系统必须能够实时地做事情--在短时间内（从人的角度看几乎是瞬间）。
• 许多嵌入式系统必须非常安全可靠，特别是对于医疗设备或控制飞机的航空电子设备。
• 启动速度非常快。人们不愿意等一两分钟汽车启动或应急设备启动。
• 它可能会使用一个特殊的操作系统（或者有时是一个非常小的自制操作系统），帮助满足这些要求，称为实时操作系统，或RTOS。
• 为嵌入式系统编写的程序指令被称为固件，存储在只读存储器或闪存芯片中。它们在有限的计算机硬件资源下运行：内存小，键盘和/或屏幕小或不存在。

嵌入式系统并不总是独立的设备。有时，它们是作为一套设备构建的，就像汽车的各个部件--收音机、油门控制、污染控制等。有时它们可以与互联网或手机网络通信，它们可能有一个USB读卡器或其他连接。

用户界面

嵌入式系统的范围很广，从完全没有用户界面--只有发送和接收电信号--到像现代计算机一样的全图形用户界面。通常它们会有几个按钮、一个小显示器和一些LED。更复杂的系统可能有一个触摸屏，允许按钮的含义随着每个屏幕的变化而变化，就像智能手机一样。

一个带有按钮和简单液晶显示器的用户界面的例子。

硬件设施

硬件包括芯片、电线、电路板、按钮和显示器。

CPU

最重要的芯片是中央处理单元或CPU。它运行软件指令。它可以是一个标准的微处理器或微控制器。微控制器包括微处理器以及简单的外围设备，因此系统可以更小，更便宜。它们的灵活性较低，因为这些部件不能改变。通常这些部件包括闪存和支持串口、USB等。

与通用计算机的微处理器不同，更大、更快并不总是更好。许多嵌入式处理器都非常小。有时是为了使用更小的空间或更小的功率，有时是为了更便宜。通用计算机会使用读取32位或64位字的微处理器，运行速度以千兆赫为单位，但嵌入式处理器通常是4到32位，运行速度通常以几十兆赫为单位（慢一百倍）。但程序也比较小，不会检查不用的东西）。

现成的电脑板

有一些"现成"的计算机板可以用于一些嵌入式系统。这些通常使用Windows CE、Linux、NetBSD或嵌入式实时操作系统。

有时，使用已经制作好的电路板可能更容易。这些通常与通用计算机共用许多元件，但比通用计算机中的一个小。像威盛EPIA这样的电路板可以运行微软的Windows。其优点是可以节省一些电子工程时间，并且可以使用与PC型软件开发相同的软件开发工具。这类嵌入式设备的例子是赌场中的ATM或显示器。如果对实时性的要求不是很严格的话，这种方法就很好用（比如一项工作需要8秒而不是5秒，这并没有多大关系）。

ASIC和FPGA解决方案

如果设备需要非常小或将以非常大的数量销售（"大批量"），那么制造一个能完全满足需要的定制或专用芯片是有意义的。这就是片上系统(SoC)，它将一个完整的系统--处理器、浮点单元、内存缓存和接口放在一个集成电路上。SoC可以制作成特殊顺序的专用集成电路(ASIC)，或者使用现场可编程门阵列(FPGA)，由构建嵌入式系统的人进行编程。

外围设备

嵌入式系统利用外围设备与外界或其他组件进行对话，如：。

• 串行端口。RS-232, RS-422, RS-485.这在过去是很常见的，采用9针（或更大）连接器。
• 同步串行通信接口。I²C集成电路、I²S集成声音、SPI、MIcrowire、......
• 通用串行总线（USB）。
• 网络。以太网，控制器区域网，LonWorks，...
• 离散输入/输出。通用输入/输出（GPIO）。这可以是一个带有开/关信号的单线。它可用于小型键盘，或用于点亮LED。
• 模数/数模转换器（ADC/DAC）。这可以测量强度变化的东西，如光传感器或电机控制。
• 调试。JTAG，ICSP端口，供软件工程师使用。

Soekris net4801，一个针对网络应用的嵌入式系统。

軟件

操作系统

嵌入式系统往往不需要一个完整的操作系统。有的使用特制的小型和简单的操作系统，启动速度非常快，有的则根本不需要。嵌入式系统的适应性没有那么容易，但它们的构建可以更可靠地执行任务。因为硬件比较简单，所以它的制造成本往往也比较低，运行速度也比较快。

与此相反，一台通用计算机需要为新的设备驱动程序和软件做好准备，以运行它还不知道的硬件，如新的打印机或硬盘驱动器。它需要运行不同的应用程序。

随着嵌入式系统的规模越来越大，过去只有在通用计算机甚至大型机上才有的东西，现在在嵌入式系统上也变得很普遍。这包括受保护的内存空间，以及开放的编程环境，包括Linux、NetBSD等。

一些操作系统的例子，从简单到复杂。

• 简单控制循环--用一个定时器和一个循环反复调用不同的子程序。对于小型系统来说，这通常是由一个人制作的。
• 中断控制 - 任务由不同类型的事件启动。事件可以是定时的（例如，每十秒一次），也可以是通过按下按钮或接收数据来启动。
• 非先发制人的多任务处理--每个任务都会轮流运行，当它完成时，它会调用操作系统中的调度器来运行下一个任务。
• 先发制人的多任务或多线程 - 一个任务可以在一段时间后停止，让另一个任务运行一段时间。任何任务都不能霸占系统。在这个层次上，系统被认为有一个"操作系统"内核，可以并行运行任务。这种类型的操作系统通常是从只从事嵌入式操作系统的公司购买的。

实时操作系统包括MicroC/OS-II、Green Hills INTEGRITY、QNX或VxWorks等产品。与MacOS或Windows 7不同，这些操作系统并不为大多数人所熟知。但是在很多时间和安全非常重要的地方，都会用到它们。人们每天都在使用它们，却没有意识到这一点。

大型内核的常见例子是嵌入式Linux和Windows CE。虽然这些内核没有严格的实时系统所需的严格时间限制，但它们正变得越来越普遍，特别是对于更强大的设备，如无线路由器和GPS。它们允许重用设备驱动程序、Web服务器、防火墙和其他代码的公共领域的代码。更习惯于为PC编写应用程序的软件开发人员也会发现这一点更熟悉。如果需要，对于确实需要严格时间限制的事情，可以使用FPGA或其他特殊硬件。

工具类

与其他软件一样，嵌入式系统设计人员也使用编译器、汇编器和调试器来开发嵌入式系统软件。但是，他们也可能会使用一些比较特殊的工具。

• 对于使用数字信号处理的系统，开发人员可以使用MATLAB、MathCad或Mathematica等数学工具。
• 自定义编译器和链接器可用于改善特定硬件的优化。
• 一个嵌入式系统可能有自己的特殊语言或设计工具，或者在现有的语言中添加增强功能，比如Basic Stamp使用的语言。

调试工具。

• 线路内调试器（ICD），是一种通过JTAG接口与微处理器连接的硬件设备。当微处理器运行软件时，它可以从外部启动和停止微处理器。它还允许读取内存和寄存器，并在内存中存储软件程序。
• 使用日志或串行端口输出进行外部调试，以使用闪烁的监视器（printfs）跟踪操作。
• 交互式驻留调试--如果操作系统支持，这是嵌入式处理器上的一个shell，运行开发者输入的命令（例如Linux）。
• 在线仿真器取代了电路板上的微处理器，提供了对微处理器可以做的一切的完全控制。
• 一个完整的仿真器可以模拟硬件的所有功能，让所有的硬件都可以被控制和修改。硬件并不真正存在，但在普通的PC上有一个假装的版本（"虚拟"机器）。
• 用逻辑分析仪或万用表检查外部线路。

除非受限于外部调试，程序员通常可以通过工具加载和运行软件，查看处理器中运行的代码，并启动或停止其运行。代码的视图可能是汇编代码或源代码。一些集成系统(如VxWorks或Green Hills)有特殊的功能，如跟踪软件运行时占用的空间、正在运行的任务以及事情发生的时间。

根据做的是什么样的嵌入式系统，会影响到它的调试方式。例如，调试一个单一的微处理器系统与调试一个同时在外设（DSP、FPGA、协处理器）上进行处理的系统是不同的。

安全性和可靠性

嵌入式系统通常是在机器中，预计会在没有错误的情况下运行多年，在某些情况下，如果发生错误，系统会自行恢复。这意味着软件的开发和测试通常比个人计算机的软件更仔细，而且避免使用不可靠的机械运动部件，如磁盘驱动器和风扇。

安全性和可靠性很重要的地方。

• 有些系统不能安全地关闭维修，或者维修太困难。这方面的例子包括空间系统(卫星、探测器)、海底电缆和核电站控制装置。
• 如飞机控制装置、化工厂控制装置、火车信号装置、心脏除颤器等，一旦失灵，系统就会出人命。
• 如果系统关机或出错，将损失大量资金。电话开关、工厂控制、收银机、自动出纳机；

从错误中恢复的方法--既包括软件错误（如内存泄漏），也包括硬件中的软错误。

• 看门狗定时器，在系统停止工作时重新启动嵌入式系统。
• 重复的部分，如果另一个系统停止工作，一个系统可以接管。
• 软件"跛脚模式"，提供部分功能。
• 免疫意识编程

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