什么是嵌入式系统——小身材，大能量
什么是嵌入式系统——小身材，大能量
嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的专用计算机系统。它被广泛应用于各个领域，是针对需求的问题和目的而特殊设计的小型化轻便化的专用计算机系统。
一、什么是嵌入式系统
嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的专用计算机系统。它被广泛应用于各个领域，是针对需求的问题和目的而特殊设计的小型化轻便化的专用计算机系统。
英国电气工程师协会对嵌入式系统的定义为：控制、监视或协助设备、机器、工程运行的装置。中国大陆从技术角度定义了嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的专用计算机系统，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
嵌入式系统的共有特征包括专用性、隐蔽性、高可靠性、实时性和资源固定。专用性指嵌入式系统总是针对某个具体的应用需求和目的而设计的；隐蔽性是指嵌入式系统往往是一个大的系统的一部分，只是实现智能化控制或行为的一个构件；高可靠性是因为嵌入式系统针对具体设计，有很多针对可靠性的设计；实时性要求嵌入式系统对可预测性事件在需求时间内做出反应；资源固定是因为嵌入式系统是针对性设计，其可用资源是确定的，通常追求小型化、轻量化和低耗低成本。
嵌入式系统的发展历程悠久。公认的第一个现代嵌入式系统是 20 世纪 60 年代初美国麻省理工学院开发的阿波罗导航计算机，用于引导阿波罗飞船往返地球与月球。同时，20世纪 60 年代中期，美国在民兵 Ⅱ 导弹上大量使用内嵌的集成电路用于火控系统。真正意义上的嵌入式系统出现在 20 世纪 70 年代的美国，当时被称作嵌入式计算机系统或隐藏式计算机，主要是以 4 位 / 8 位的单片机为主的可编程控制器，用于工业设备控制和大型家电，结构简单功能单一。20 世纪 80 年代，随着半导体技术发展，数字电路大量应用，外围电路元器件被集成到处理器芯片上，嵌入式系统更加多样化和轻便化，出现了智能仪表、智能家电等数字化设备，这一时期的嵌入式系统主要以 8 位 / 16 位处理器为基础并配置简单操作系统。20 世纪 90 年代，微电子技术快速进步，嵌入式技术风靡发展，这一时期的嵌入式系统操作内核小、功能完善、模块化程度高、开发设备齐全、种类繁多，主要以 32 位处理器和嵌入式操作系统为标志。
嵌入式系统的分类方式有很多种。以技术复杂度分类，针对不同字长的处理器为应用平台和设计基础，字长越大能做的事越多，但技术也越复杂；以实时性分类，不同类型的嵌入式系统具有不同的实时性特征；以用途分类，是最直观也最符合市场价值的分类方式，可分为不同类型，各有其特征。
嵌入式系统和通用计算机系统一样，也是由硬件和软件所组成的。硬件包括嵌入式微处理器、外围硬件设备等；软件包括软件层、系统层和中间层等。
二、嵌入式系统的特点
1. 实时性
嵌入式系统的实时性是其最大的特点之一。在现代科技发展中，嵌入式系统需要在有效的时间内接收信息并进行处理，同时在规定时间内准确完成特定任务。例如，在导弹控制系统中，从传感器传来的信号必须得到及时响应，否则即使只有 1 毫秒的延迟，也可能导致巨大的误差。而对于一些对时间不太敏感的应用，如手机，实时性要求则相对较低。并非所有的嵌入式系统都需要实时操作系统，只有在对时间敏感的场合，如控制、通信和数据采集等领域，才会使用实时操作系统。实时操作系统能够确保任务按照其优先级处理，满足严格的时间限制，从而实现系统的实时响应。
2. 系统内核小、体积小、集成度高、功耗低
嵌入式系统一般是根据用户需求设计的，具有专用性特点，能够满足不同应用的特定需求。与通用计算机系统相比，嵌入式系统的内核更小、体积更小、集成度更高、功耗更低。这使得嵌入式系统能够更好地适应各种小型化、轻量化的应用场景，如智能家电、智能仪表等数字化设备。同时，嵌入式系统的硬件和软件通常是紧密结合的，软件一般固化在存储芯片或单片机本身中，以提高执行速度与系统可靠性。硬软件都必须高效设计，系统要精简，对软件代码质量要求很高。
3. 可移植性和配置性强
嵌入式系统根据硬件环境和软件环境的不同，能够灵活地移植和配置。如果一个嵌入式设备功能确定，则可以直接使用。为了增强嵌入式代码的可移植性，可以采用分层设计，隔离平台相关的代码。最底层采用 Adapter 模式，把不同操作系统的 API 封装成一套统一的接口；最上层采用 MVC 模型，分离界面表现与内部逻辑代码。同时，尽量使用标准 C/C++ 函数，避免使用 C/C++ 新标准里出现的特性、标准里没有明确规定的特性和准标准函数，注意标准函数的细节，小心数据标准数据类型，最好不要使用平台独有的特性。这样可以提高嵌入式系统的可移植性，减少开发工作量，提高开发效率。
4. 软件固化
软件固化在内部存储器中，复位后可以自动重启，按照指令运行。这一特点使得嵌入式系统具有较高的稳定性和可靠性，能够在各种复杂的环境下稳定运行。例如，在一些工业控制领域，嵌入式系统需要长时间稳定运行，软件固化可以确保系统在出现故障后能够自动恢复，提高系统的可用性。
5. 可靠性高，稳定性强
嵌入式系统功能固定，程序固化，发生问题的几率非常小。这是因为嵌入式系统通常是针对特定应用设计的，其硬件和软件都经过了严格的测试和优化。同时，嵌入式系统的实时性要求也使得系统在设计时更加注重稳定性和可靠性。例如，在一些关键的应用领域，如医疗设备、航空航天等，嵌入式系统的可靠性和稳定性至关重要，任何故障都可能导致严重的后果。
三、嵌入式系统的组成部分
1. 硬件层
嵌入式系统的硬件层是整个系统的基础，主要由以下几个部分组成：
嵌入式微处理芯片，如嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器、嵌入式片上系统等。这些不同类型的微处理芯片具有各自的特点和适用场景。嵌入式微处理器通常具有较高的性能和复杂的指令集，适用于对计算能力要求较高的应用；嵌入式微控制器则集成了更多的外设功能，适合于小型化、低功耗的应用；嵌入式数字信号处理器专门用于数字信号处理任务，在音频、视频等领域有广泛应用；嵌入式片上系统则将多个功能模块集成在一个芯片上，提高了系统的集成度和可靠性。
嵌入式存储器系统，包括程序存储器、数据存储器和参数存储器。主要以 Cache、ROM、RAM、Flash 和其他大容量存储器构成。Cache 是一种高速缓冲存储器，位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据，能够提高系统的性能和数据传输速率。ROM 用于存储固化的程序代码，具有非易失性，断电后数据不会丢失。RAM 则是随机存取存储器，用于存储运行时的数据和程序，速度较快但断电后数据会丢失。Flash 存储器兼具 ROM 和 RAM 的特点，可擦写且非易失性，广泛应用于嵌入式系统中。其他大容量存储器如硬盘、NAND Flash、CF 卡、MMC 和 SD 卡等辅助存储器则用来存放大数据量的程序代码或信息，容量大但读取速度相对较慢。
嵌入式系统的 I/O 接口。一般嵌入式微处理器上集成有 I/O 接口，并且有复用功能，可通过软件设置。常见的通用设备接口有 A/D（模 / 数转换接口）、D/A（数 / 模转换接口）、RS-232 接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA 视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和 IrDA（红外线接口）等。这些接口使得嵌入式系统能够与外界进行数据交互，实现各种功能。
2. 中间层
中间层也称为硬件抽象层或板级支持包，位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离。它具有两个重要特点：
硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，所以中间层需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的硬件平台需要不同的中间层来实现软件与硬件的接口。
操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此中间层需要具有特定的硬件接口形式以适应不同的操作系统。
中间层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入 / 输出操作和硬件设备的配置功能。例如，在系统启动时，中间层会进行片级初始化、板级初始化和系统级初始化。片级初始化主要是对微处理器进行初始化，包括对处理器寄存器（包括数据寄存器和控制寄存器）的初始化，对处理器片内总线的初始化；板级初始化主要是对软硬两部分初始化，包括对非处理器部分的初始化，设置软件系统运行需要的数据结构和参数；系统初始化主要是对操作系统和应用软件的初始化，首先将处理器的控制权转交给操作系统，操作系统完成初始化，并创建应用程序环境，然后将处理器控制权交给应用程序。
3. 系统软件层
系统软件层由实时多任务操作系统（RTOS）、文件系统、图形用户接口 (GUI)、网络系统及通用组件模块组成，实时多任务操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
实时多任务操作系统（RTOS）负责嵌入式系统软件、硬件的资源分配、任务调度和控制协调。它除具备一般操作系统基本的任务调配、同步机制、中断处理、文件处理等功能外，还具有强实时性、支持开放性和可伸缩行动体系结构，具有可裁剪性的特点。同时，它还提供统一的设备驱动接口，操作方便、友好、简单的图形 GUI 和图形界面，支持 TCP/IP 协议及其他协议，提供强大的网络功能。
文件系统主要提供文件存储、检索和更新的功能，高端的嵌入式文件系统还提供有保护和加密等安全机制。
GUI 为用户与嵌入式系统的交互提供了人性化的接口，用户可通过窗口、菜单、按键等方式来方便地操作计算机或者嵌入式系统。
网络系统提供网络连接和通信功能，使嵌入式系统能够与其他设备进行数据交换和通信。
通用组件模块为嵌入式系统提供各种通用的功能模块，如数据库访问、加密解密、压缩解压缩等。
4. 应用软件层
应用软件层用来实现对被控制对象的实际控制功能，由针对特定任务而开发的应用程序组成，主要面向被控制对象和用户。嵌入式应用软件具有反应快捷、占用资源少、方便多用户操作、可能存在友好的人机界面等特点。它根据具体的应用需求进行开发，实现各种特定的功能，如在智能家电中控制家电的运行状态、在工业控制中实现对生产过程的监控和控制等。
四、嵌入式系统的应用领域
1. 工业自动化
在工业自动化领域，嵌入式系统被广泛应用于生产线控制、设备监测、质量控制等方面。例如，在汽车制造领域，嵌入式系统被应用于汽车生产线的控制、汽车故障诊断等方面，为汽车制造商提供了高效、稳定的生产环境，提高了生产效率和质量。此外，嵌入式系统还被应用于智能工厂、智能物流等方面，如 AGV（Automated Guided Vehicle）智能物流车、智能仓储系统等，为企业提供了高效、智能化的生产和物流环境。
2. 医疗健康
在医疗健康领域，嵌入式系统被广泛应用于医疗设备、医疗监测、远程医疗等方面。心电图仪、血压计、血糖仪等医疗设备均使用了嵌入式系统，为医生提供了高精度、高可靠的检测数据，提高了医疗诊断的准确性和效率。同时，嵌入式系统还被应用于智能健康监测、智能健康管理等方面，如智能手环、智能衣服等，为人们提供了更加便捷、智能化的健康监测和管理服务。
3. 交通运输
在交通运输领域，嵌入式系统被广泛应用于交通管理、车辆控制、导航系统等方面。在城市交通管理中，嵌入式系统被应用于红绿灯控制、路况监测、智能交通管理等方面，提高了道路使用效率和安全性。在车辆控制方面，嵌入式系统被应用于发动机控制、车载电子设备控制等方面，为驾驶员提供了更加智能化、安全的驾驶环境。在导航系统方面，嵌入式系统被应用于车载导航、行车记录仪等方面，为驾驶员提供了更加智能、便捷的出行体验。
4. 智能家居
在智能家居领域，嵌入式系统被广泛应用于智能家电、智能家居控制等方面。智能音箱、智能电视、智能门锁等智能家电均使用了嵌入式系统，为用户提供了更加智能、便捷的控制和体验。同时，嵌入式系统还被应用于智能家居控制、智能家庭安防等方面，如智能家居中心、智能门窗报警器等，为用户提供了更加智能化、安全化的家居控制和保障服务。
5. 消费电子
在消费电子领域，嵌入式系统被广泛应用于智能手机、平板电脑、智能手表等电子产品中。在智能手机中，嵌入式系统被应用于操作系统、移动应用、通信模块等方面，为用户提供了更加稳定、高效的通信和操作环境。在平板电脑、智能手表等产品中，嵌入式系统被应用于操作系统、传感器控制等方面，为用户提供了更加智能化、便捷的使用体验。
6. 能源管理
在能源管理领域，嵌入式系统被广泛应用于智能电表、能源监测、智能电网等方面。在智能电表中，嵌入式系统被应用于电能计量、电费计算、远程抄表等方面，为用户提供了更加高效、便捷的用电管理服务。在能源监测、智能电网等方面，嵌入式系统被应用于能源数据采集、能源分析、智能电网控制等方面，为能源管理提供了高效、智能化的技术支持。