嵌入式系統(tǒng)是為特定功能而設(shè)計的計算機硬件和軟件的組合。嵌入式系統(tǒng)也可以在更大的系統(tǒng)內(nèi)運行。這些系統(tǒng)可以是可編程的，也可以具有固定的功能。工業(yè)機器、消費類電子產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)和加工行業(yè)設(shè)備、汽車、醫(yī)療設(shè)備、攝像機、數(shù)字手表、家用電器、飛機、自動售貨機和玩具，以及移動設(shè)備都是嵌入式系統(tǒng)可能存在的地方。

雖然嵌入式系統(tǒng)是計算系統(tǒng)，但其范圍可以從沒有用戶界面(UI)——例如，用于執(zhí)行單一任務(wù)的設(shè)備——到復(fù)雜的圖形用戶界面(GUI)，例如在移動設(shè)備中。用戶界面可以包括按鈕、LED(發(fā)光二極管)和觸摸屏感應(yīng)。有些系統(tǒng)也使用遠程用戶界面。

一、嵌入式系統(tǒng)的示例

嵌入式系統(tǒng)在各種技術(shù)和各個行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。一些例子包括：

1.汽車

現(xiàn)代汽車通常包含許多計算機(有時多達100臺)，或稱為嵌入式系統(tǒng)，旨在在車輛內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)。其中一些系統(tǒng)執(zhí)行基本的實用功能，而其他系統(tǒng)提供娛樂或面向用戶的功能。消費型汽車中的一些嵌入式系統(tǒng)包括巡航控制、倒車傳感器、懸掛控制、導(dǎo)航系統(tǒng)和氣囊系統(tǒng)。

2.手機

這些包括許多嵌入式系統(tǒng)，包括GUI軟件和硬件、操作系統(tǒng)(OSes)、攝像頭、麥克風(fēng)以及USB(通用串行總線)I/O(輸入/輸出)模塊。

3.工業(yè)機器

它們可能包含傳感器等嵌入式系統(tǒng)，并且它們本身也可以是嵌入式系統(tǒng)。工業(yè)機器通常具有執(zhí)行特定監(jiān)控和控制功能的嵌入式自動化系統(tǒng)。

二、嵌入式系統(tǒng)如何工作?

嵌入式系統(tǒng)始終作為完整設(shè)備的一部分運行——這就是“嵌入”一詞的含義。它們是嵌入在其他機械或電氣系統(tǒng)中的低成本、低功耗、小型計算機。通常，它們包括處理器、電源和存儲器以及通信端口。嵌入式系統(tǒng)使用通信端口通過通信協(xié)議在處理器和外圍設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)——通常是其他嵌入式系統(tǒng)。處理器借助存儲在存儲器中的最小軟件來解釋這些數(shù)據(jù)。這些軟件通常與嵌入式系統(tǒng)提供的功能高度相關(guān)。

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內(nèi)存的微處理器。微處理器使用單獨的集成電路來處理內(nèi)存和外圍設(shè)備，而不是將它們包含在芯片上。兩者都可以使用，但是微處理器通常需要更多的支持電路，因為微處理器集成的功能較少。術(shù)語片上系統(tǒng)(SoC)經(jīng)常被使用。SoC在單個芯片上包含多個處理器和接口。它們通常用于高產(chǎn)量的嵌入式系統(tǒng)。一些SoC類型的例子是特定應(yīng)用集成電路(ASIC)和可編程門陣列(FPGA)。

通常，嵌入式系統(tǒng)在實時操作環(huán)境中使用實時操作系統(tǒng)(RTOS)與硬件通信。在芯片能力較高的情況下，設(shè)計師們通常會選擇近乎實時的方法，這些方法由設(shè)計師定義，認為系統(tǒng)通常足夠快，任務(wù)能夠容忍輕微的反應(yīng)變化。在這些情況下，通常會部署精簡版的Linux操作系統(tǒng)，雖然也有其他操作系統(tǒng)被精簡用于嵌入式系統(tǒng)，包括嵌入式Java和Windows IoT(之前稱為Windows Embedded)。

三、嵌入式系統(tǒng)的特點

嵌入式系統(tǒng)的主要特點是它們是面向特定任務(wù)的。

此外，嵌入式系統(tǒng)可能具有以下特點：

通常由硬件、軟件和固件組成;

可以嵌入到較大系統(tǒng)中執(zhí)行特定功能，因為它們是針對系統(tǒng)內(nèi)的專業(yè)任務(wù)構(gòu)建的，而不是各種任務(wù);

可以基于微處理器或微控制器——兩者都是提供系統(tǒng)計算能力的集成電路;

通常用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備中的傳感和實時計算，這些設(shè)備是連接到互聯(lián)網(wǎng)的，不需要用戶操作;

可以在復(fù)雜性和功能上有所不同，這影響它們使用的軟件、固件和硬件類型;

通常需要在時間限制下執(zhí)行其功能，以保持較大系統(tǒng)正常運行。

四、嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性各不相同，但通常包括三個主要元素：

1.硬件

嵌入式系統(tǒng)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，通常指的是集成有其他基本計算組件(如存儲器芯片和數(shù)字信號處理器(DSP))的CPU(中央處理單元)。微控制器將這些組件構(gòu)建到一個芯片中。

2.軟件和固件

嵌入式系統(tǒng)的軟件復(fù)雜性各不相同。然而，工業(yè)級微控制器和嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常運行非常簡單的軟件，需要很少的內(nèi)存。

3.實時操作系統(tǒng)

這些并不總是包含在嵌入式系統(tǒng)中，特別是較小規(guī)模的系統(tǒng)。RTOS通過監(jiān)督軟件并在程序執(zhí)行期間設(shè)置規(guī)則來定義系統(tǒng)的工作方式。

在硬件方面，基本的嵌入式系統(tǒng)將包括以下元素：

傳感器將物理感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

處理器處理數(shù)字信號并將其存儲在內(nèi)存中。

數(shù)字模數(shù)轉(zhuǎn)換器將處理器的數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)。

執(zhí)行器將實際輸出與存儲在內(nèi)存中的輸出進行比較，并選擇正確的輸出。

傳感器讀取外部輸入，轉(zhuǎn)換器使該輸入對處理器可讀，處理器將該信息轉(zhuǎn)換為嵌入式系統(tǒng)的有用輸出。

五、嵌入式系統(tǒng)的類型

有幾種基本的嵌入式系統(tǒng)類型，它們在功能需求上有所不同。它們分別是：

移動嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計為便攜的小型系統(tǒng)。數(shù)碼相機就是一個例子。

網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)，向其他系統(tǒng)提供輸出。例如家庭安全系統(tǒng)和銷售點(POS)系統(tǒng)。

獨立嵌入式系統(tǒng)不依賴于主機系統(tǒng)。像任何嵌入式系統(tǒng)一樣，它們執(zhí)行特定的任務(wù)。但是，它們不一定屬于主機系統(tǒng)，不同于其他嵌入式系統(tǒng)。計算器或MP3播放器就是一個例子。

實時嵌入式系統(tǒng)在定義的時間間隔內(nèi)提供所需的輸出。它們通常用于醫(yī)療、工業(yè)和軍事領(lǐng)域，因為它們負責(zé)時間關(guān)鍵任務(wù)。交通控制系統(tǒng)就是一個例子。

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