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什么是嵌入式系统?

作者:鲁成伟业 | 时间:2020-07-24 10:58:32 | 人已围观

嵌入式系统由硬件和软件组成.是能够du立进行运作的器件。其软件内容只包括软件运行环境及其操作系统。硬件内容包括信号处理器、存储器、通信模块等在内的多方面的内容。相比于一般的计算机处理系统而言,嵌入式系统存在较大的差异性, 它不能实现大容量的存储功能,因为没有与之相匹配的大容量介质,大部分采用的存储介质有E-PROM、EEPROM DENG等, 软件部分以API编程接口作为开发平台的核心。

本文目录:嵌入式系统定义   嵌入式系统发展过程   嵌入式系统特点   嵌入式系统组成   嵌入式系统嵌入式方式   嵌入式系统应用场景


嵌入式系统定义

嵌入式系统是以应用为中心,以现代计算机技术为基础,能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统。要点概括:

  1. 以应用为中心:强调嵌入式系统的目标是满足用户的特定需求。就绝大多数完整的嵌入式系统而言,用户打开电源即可直接享用其功能,无需二次开发或仅需少量配置操作。
  2. 专用性:嵌入式系统的应用场合大多对可靠性、实时性有较高要求,这就决定了服务于特定应用的专用系统是嵌入式系统的主流模式,它并不强调系统的通用性和可扩展。这种专用性通常也导致嵌入式系统是一个软硬件紧密集成的zui终系统,因为这样才能geng有效地提高整个系统的可靠性并降低成本,并使之具有geng好的用户体验。
  3. 以现代计算机技术为核心:嵌入式系统的zui基本支撑技术,大致上包括集成电路设计技术、系统结构技术、传感与检测技术、嵌入式操作系统和实时操作系统技术、资源受限系统的高可靠软件开发技术、系统形式化规范与验证技术、通信技术、低功耗技术、特定应用领域的数据分析、信号处理和控制优化技术等,它们围绕计算机基本原理,集成进特定的专用设备就形成了一个嵌入式系统。
  4. 软硬件可裁剪:嵌入式系统针对的应用场景如此之多,并带来差异性极大的设计指标要求(功能性能、可靠性、成本、功耗),以至于现实上很难有一套方案满足所有的系统要求,因此根据需求的不同,灵活裁剪软硬件、组建符合要求的zui终系统是嵌入式技术发展的必然技术路线。

嵌入式工控机

嵌入式系统发展过程

嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月,算术运算器和控制器电路成功的被集成在一起,推出了di一款微处理器,其后各厂家陆续推出了8位、16位微处理器。以这些微处理器为核心所构成的系统广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场,计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品,再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板及各式I/O插件板,从而构成专用的嵌入式计算机系统,并将其嵌入自己的系统设备中。

20世纪80年代,随着微电子工艺水平的提高,集成电路制造商开始把嵌入式计算机应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器、串行接口,以及RAM、ROM等部件全部集成到一个VLSI中,从而制造出面向I/O设计的微控制器,即俗称的单片机。单片机成为嵌入式计算机中异军突起的一支新秀。20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下,嵌入式系统进一步快速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗的方向发展。21世纪是一个网络盛行的时代,将嵌入式系统应用到各类网络中是其发展的重要方向。

嵌入式系统的发展大致经历了以下三个阶段:

  1. di一阶段:嵌入技术的早期阶段。嵌入式系统以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编程控制器形式存在,具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大部分应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中。
  2. di二阶段:以高端嵌入式CPU和嵌入式操作系统为标志。这--阶段系统的主要特点是计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式CPU,如ARM、PowerPC等,且支持操作系统,支持复杂应用程序的开发和运行。
  3. di三阶段:以芯片技术和Internet技术为标志。微电子技术发展迅速,SOC(片上系统)使嵌入式系统越来越小,功能却越来越强。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,但随着Internet的发展及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切,嵌入式技术正在进入快速发展和广泛应用的时期。

嵌入式计算机

嵌入式系统特点

嵌入式系统的硬件和软件必须根据具体的应用任务,以功耗、成本、体积、可靠性、处理能力等为指标来进行选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件,由于存储空间有限,因而要求软件代码紧凑、可靠,且对实时性有严格要求。从构成上看,嵌入式系统是集软硬件于一体的、可du立工作的计算机系统;从外观上看,嵌入式系统像是一个“可编程”的电子“器件”;从功能上看,它是对目标系统(宿主对象)进行控制,使其智能化的控制器。从用户和开发人员的不同角度来看,与普通计算机相比较,嵌入式系统具有如下特点:

  1. 专用性强。由于嵌入式系统通常是面向某个特定应用的,所以嵌入式系统的硬件和软件,尤其是软件,都是为特定用户群设计的,通常具有某种专用性的特点。
  2. 体积小型化。嵌入式计算机把通用计算机系统中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于实现小型化,方便将嵌入式系统嵌入目标系统中。
  3. 实时性好。嵌入式系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合,主要用来对宿主对象进行控制,所以对嵌入式系统有或多或少的实时性要求。例如,对武器中的嵌入式系统,某些工业控制装置中的控制系统等的实时性要求就极高。有些系统对实时性要求也并不是很高,例如,近年来发展速度比较快的掌上电脑等。但总体来说,实时性是对嵌入式系统的普遍要求,是设计者和用户应重点考虑的一个重要指标。
  4. 可裁剪性好。从嵌入式系统专用性的特点来看,嵌入式系统的供应者理应提供各式各样的硬件和软件以备选用,力争在同样的硅片面积上实现geng高的性能,这样才能在具体应用中geng具竞争力。
  5. 可靠性高。由于有些嵌入式系统所承担的计算任务涉及被控产品的关键质量、人身设备安全,甚至国jia机密等重大事务,且有些嵌入式系统的宿主对象工作在无人值守的场合,如在危险性高的工业环境和恶劣的野外环境中的监控装置。所以,与普通系统相比较,嵌入式系统对可靠性的要求极高。
  6. 功耗低。有许多嵌入式系统的宿主对象是一些小型应用系统,如移动电话、MP3、数码相机等,这些设备不可能配置交流电源或容量较大的电源,因此低功耗一直是嵌入式系统追求的目标。
  7. 嵌入式系统本身不具备自我开发能力,必须借助通用计算机平台来开发。嵌入式系统设计完成以后,普通用户通常没有办法对其中的程序或硬件结构进行修改,必须有一套开发工具和环境才能进行。
  8. 嵌入式系统通常采用“软硬件协同设计”的方法实现。早期的嵌入式系统设计方法经常采用的是“硬件优先”原则,即在只粗略估计软件任务需求的情况下,shou先jin行硬件设计与实现,然后在此硬件平台之上进行软件设计。如果采用传统的设计方法,则一旦在测试中发现问题,需要对设计进行修改时,整个设计流程将重新进行,对成本和设计周期的影响很大。系统的设计在很大程度上依赖于设计者的经验。20世纪90年代以来,随着电子和芯片等相关技术的发展,嵌入式系统的设计和实现出现了软硬件协同设计方法,即使用统一的方法和工具对软件和硬件进行描述、综合和验证。在系统目标要求的指导下,通过综合分析系统软硬件功能及现有资源,协同设计软硬件体系结构,以zui大限度地挖掘系统软硬件能力,避免由于du立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病,得到高性能、低代价的优化设计方案。

嵌入式显示器

嵌入式系统组成

嵌入式系统zui核心的层次是中央处理单元部分,它包含运算器和控制器模块,在cpu的基础上进一步配上存储器模块、电源模块、复位模块等就构成了通常所说的zui小系统。由于技术的进步,集成电路生产商通常会把许多外设做进同一个集成电路中,这样在使用上geng加方便,这样一个芯片通常称之为微控制器。在微控制器的基础上进一步扩展电源传感与检测、执行器模块以及配套软件并构成一个具有特定功能的完整单元,就称之为一个嵌入式系统或嵌入式应用。

硬件结构

尽管各种具体的嵌入式系统的功能、外观界面、操作等各不相同,甚至千差万别,但是基本的硬件结构却是大同小异的,而且和通用计算机的硬件系统有着高度的相似性。嵌入式系统的硬件部分看起来与通用计算机系统的没有什么区别,也由处理器、存储器、外部设备、I/O接口、图形控制器等部分组成。但是嵌入式系统应用上的特点致使嵌入式系统在软硬件的组成和实现形式上与通用计算机系统有较大区别。为满足嵌入式系统在速度、体积和功耗上的要求,操作系统、应用软件、特殊数据等需要长qi保存的数据,通常不使用磁盘这类具有大容量且速度较慢的存储介质,而大多使用EPROM、E2PROM或闪存(Flash Memory)。在嵌入式系统中,A/D或D/A模块主要用于测控方面,这在通用计算机中用得很少。根据实际应用和规模的不同,有些嵌入式系统要采用外部总线。随着嵌入式系统应用领域的迅速扩张,嵌入式系统越来越趋于个性化,根据自身特点采用总线的种类也越来越多。另外,为了对嵌入式处理器内部电路进行测试,处理器芯片普遍采用了边界扫描测试技术(JTAG)。

软件体系

嵌入式系统的软件体系是面向嵌入式系统特定的硬件体系和用户要求而设计的,是嵌入式系统的重要组成部分,是实现嵌入式系统功能的关键。嵌入式系统软件体系和通用计算机软件体系类似,分成驱动层、操作系统层、中间件层和应用层等四层,各有其特点。

嵌入式系统嵌入方式

嵌入式系统是通过把CPU嵌入目标系统或被控系统中起作用的。但是在不同的嵌入式系统中,嵌入的形式和程度是各不相同的。根据嵌入式系统和通用计算机连接关系的密切程度,嵌入形式可以分为全嵌入方式、半嵌入方式。

全嵌入方式

如果采用全嵌入方式,则嵌入式系统(或其核心功能)可以不依赖于通用计算机系统,即可单du工作,典型实例有手机、MP4、车载GPS导航系统等。采用全嵌入方式的嵌入式系统有如下特点:

  1. 具有du立的处理器系统,且具有完整的输入/输出系统,能du立完成系统的功能。
  2. 高端CPU支持嵌入式操作系统,可以开发功能复杂的应用程序。
  3. 一般为便携式手持式设备,其工作环境一般是无人值守、移动空间、高空或其他条件恶劣的环境。
  4. 供电方式一般采用电池供电,有些情况下也可以直接采用市电220V供电,由系统自行设计转换和稳压电路。较高端的设备往往会把两种供电方式结合起来,让用户使用起来geng加灵活。
  5. 全嵌入方式适合任何不宜采用通用计算机的场合,如消费电子、家用电器、通信网络设备、工业控制、智能仪器、战场电子对抗、航天航空武器等,其应用范围十分广泛。

半嵌入方式

如果采用半嵌入方式,则嵌入式系统(或其核心功能)需要和通用计算机系统结合起来才能正常工作,典型实例有医用Bchao系统、基于PCI卡的数据采集系统等。采用半嵌入方式的嵌入式系统有如下特点:

  1. 一般没有du立的处理器,而是借用通用计算机系统的CPU完成计算和/或控制功能;有时即使具有自己的du立处理器,但是处理器也只是完成一些有限的特定功能,而不具备控制全部系统的功能。
  2. 嵌入式系统只是整个系统的--部分,只能完成整个系统的一部分功能,而其他功能需要在通用计算机上完成。通用计算机利用自己丰富的软件和硬件资源,提供友好的人机操作界面和强大的数据处理能力。
  3. 嵌入式系统的功能体现在对前端数据的采集和执行对被控对象的控制,其中的数据分析、处理和存储等功能由通用计算机系统完成。
  4. 嵌入式系统一般采用各种规范的总线形式和通用计算机相连接。典型的实例有PCI总线、USB总线等,简单的嵌入式系统还可以通过串口来连接。
  5. 嵌入式系统是作为外设连接在通用计算机上的,因此在通用计算机中一般需要提供嵌入式系统的标准驱动程序。

嵌入式系统电脑

嵌入式系统应用场景

嵌入式系统的应用十分广泛,涉及工业生产、日常生活、工业控制、航空航天等多个领域,而且随着电子技术和计算机软件技术的发展,不仅在这些领域中的应用越来越深入,而且在其他传统的非信息类设备中也逐渐显现出其用武之地。

工业控制

基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前已经有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器在应用中。网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言,低端产品往往采用的是8位单片机。随着计算机技术的发展,32位、64位的处理器已逐渐成为工业控制设备的核心。

交通管理

在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式技术已经获得了广泛的应用,内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功。目前,GPS设备已经从尖duan的科技产品进入了普通百姓的家庭。

信息家电

家电将成为嵌入式系统zui大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步人一个崭新的空间。即使不在家,也可以通过电话、网络对家电进行远程控制。在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地。

家庭智能管理系统

水表、电表、煤气表的远程自动抄表系统,安全防火、防盗系统,嵌有专用控制芯片,这种专用控制芯片将代替传统的人工操作,完成检查功能,并实现高、jing确和安全的性能。目前在服务领域,如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

POS网络及电子商务

公共交通无接触智能卡(Contactless Smart Card,CSC)发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机等智能ATM终端已全mian走进人们的生活,在不远的将来手持一张卡就可以行遍天下。

环境工程与自然

在很多环境恶劣、地况复杂的地区需要进行水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测堤坝安全与地震监测、实时气象信息和空气污染监测等时,嵌入式系统将实现无人监测。

机器人

嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面的优势geng加明显,同时,会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得geng广泛的应用。

嵌入式计算机

上述就是《什么是嵌入式系统》的全部内容。鲁成伟业是一家加固计算机、特种军用计算机、工业计算机生产厂家,专注于嵌入式计算机(嵌入式工控机、嵌入式显示器、嵌入式一体机)等产品研发、生产、销售工作。如您对嵌入式系统计算机有需求请联系我们,15年经验,鲁成伟业团队将竭力为您服务。