嵌入式系統(tǒng)是為特定功能而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件和軟件的組合。嵌入式系統(tǒng)也可以在更大的系統(tǒng)中運(yùn)行。該系統(tǒng)可以是可編程的或具有固定的功能。工業(yè)機(jī)械、消費(fèi)電子產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)和加工業(yè)設(shè)備、汽車、醫(yī)療設(shè)備、相機(jī)、數(shù)字手表、家用電器、飛機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)和玩具以及移動(dòng)設(shè)備都是嵌入式系統(tǒng)的可能位置。

雖然嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算系統(tǒng)，但它們的范圍可以從沒有用戶界面（UI）（例如，在設(shè)計(jì)用于執(zhí)行單個(gè)任務(wù)的設(shè)備上）到復(fù)雜的圖形用戶界面（GUI）（例如在移動(dòng)設(shè)備中）。 用戶界面可包括 按鈕、LED（發(fā)光二極管）和觸摸屏感應(yīng)。一些系統(tǒng)也使用遠(yuǎn)程用戶界面。

企業(yè)對(duì)企業(yè) ( B2B ) 研究公司 MarketsandMarkets 預(yù)測(cè)，到 2025 年，嵌入式市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到 1162 億美元。嵌入式系統(tǒng)的芯片制造商包括許多知名科技公司，如蘋果、IBM、英特爾和德州儀器。預(yù)期增長(zhǎng)的部分原因是對(duì) 人工智能（AI）、移動(dòng)計(jì)算的持續(xù)投資以及對(duì)處理芯片的需求。

嵌入式系統(tǒng)示例

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的各種技術(shù)中。一些例子包括：

- 汽車。現(xiàn)代汽車通常由許多計(jì)算機(jī)（有時(shí)多達(dá) 100 臺(tái)）或嵌入式系統(tǒng)組成，旨在執(zhí)行車內(nèi)的不同任務(wù)。其中一些系統(tǒng)執(zhí)行基本的實(shí)用功能，而其他系統(tǒng)則提供娛樂或面向用戶的功能。消費(fèi)類車輛中的一些嵌入式系統(tǒng)包括巡航控制、倒車傳感器、懸架控制、導(dǎo)航系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)。

- 手機(jī)。它們由許多嵌入式系統(tǒng)組成，包括 GUI 軟件和硬件、操作系統(tǒng) (OS)、攝像頭、麥克風(fēng)和 USB（通用串行總線）I/O（輸入/輸出）模塊。

- 工業(yè)機(jī)器。它們可以包含嵌入式系統(tǒng)，例如傳感器，也可以本身就是嵌入式系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器通常具有執(zhí)行特定監(jiān)視和控制功能的嵌入式自動(dòng)化系統(tǒng)。

- 醫(yī)用器材。這些可能包含傳感器和控制機(jī)制等嵌入式系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器等醫(yī)療設(shè)備也必須非常人性化，這樣人類健康才不會(huì)因可預(yù)防的機(jī)器錯(cuò)誤而受到危害。這意味著它們通常會(huì)包含為適當(dāng)?shù)?UI 設(shè)計(jì)的更復(fù)雜的操作系統(tǒng)和 GUI。

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(yùn)行——這就是術(shù)語“嵌入式”的含義。它們是嵌入其他機(jī)械或電氣系統(tǒng)的低成本、低功耗的小型計(jì)算機(jī)。一般來說，它們包括處理器、電源、存儲(chǔ)器和通信端口。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（通常是其他嵌入式系統(tǒng)）之間傳輸數(shù)據(jù)。處理器借助存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的最少軟件來解釋這些數(shù)據(jù)。軟件通常針對(duì)嵌入式系統(tǒng)所服務(wù)的功能高度特定。

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存儲(chǔ)器的微處理器。微處理器對(duì)存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備使用單獨(dú)的集成電路，而不是將它們包含在芯片上。兩者都可以使用，但微處理器通常需要比微控制器更多的支持電路，因?yàn)槲⑻幚砥髦屑傻碾娐份^少。經(jīng)常使用術(shù)語“片上系統(tǒng)”( SoC ) 。SoC 在單個(gè)芯片上包含多個(gè)處理器和接口。它們通常用于大容量嵌入式系統(tǒng)。一些示例 SoC 類型包括專用集成電路 ( ASIC ) 和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。

通常，嵌入式系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)操作環(huán)境，并使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)與硬件進(jìn)行通信。近實(shí)時(shí)方法適用于更別的芯片功能，由設(shè)計(jì)人員定義，他們?cè)絹碓秸J(rèn)為系統(tǒng)通常足夠快，并且任務(wù)可以容忍反應(yīng)的輕微變化。在這些情況下，通常部署Linux操作系統(tǒng)的精簡(jiǎn)版本，盡管其他操作系統(tǒng)已被削減以在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行，包括嵌入式 Java和 Windows IoT（以前稱為 Windows Embedded）。

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，但通常由三個(gè)主要元素組成：

- 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，通常指與其他基本計(jì)算組件（例如存儲(chǔ)芯片和數(shù)字信號(hào)處理器 ( DSP )）集成的 CPU（中央處理單元）。微控制器將這些組件內(nèi)置到一個(gè)芯片中。

- 軟件和固件。嵌入式系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性各不相同。然而，工業(yè)級(jí)微控制器和嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常運(yùn)行非常簡(jiǎn)單的軟件，需要很少的內(nèi)存。

- 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這些并不總是包含在嵌入式系統(tǒng)中，尤其是小型系統(tǒng)。RTOS 通過在程序執(zhí)行期間監(jiān)控軟件和設(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)將由以下元素組成：

- 傳感器將物理傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

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

- 處理器處理數(shù)字信號(hào)并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中。

- 數(shù)模 (DA) 轉(zhuǎn)換器將處理器中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)。

- 執(zhí)行器將實(shí)際輸出與內(nèi)存存儲(chǔ)的輸出進(jìn)行比較，并選擇正確的輸出。

傳感器讀取外部輸入，轉(zhuǎn)換器使該輸入可供處理器讀取，處理器將該信息轉(zhuǎn)換為嵌入式系統(tǒng)有用的輸出。

嵌入式系統(tǒng)的類型

有幾種基本的嵌入式系統(tǒng)類型，它們的功能要求各不相同。他們是：

- 移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)為便攜式的小型系統(tǒng)。數(shù)碼相機(jī)就是一個(gè)例子。

- 網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)以為其他系統(tǒng)提供輸出。示例包括家庭安全系統(tǒng)和銷售點(diǎn) (POS) 系統(tǒng)。

- 獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)不依賴于主機(jī)系統(tǒng)。與任何嵌入式系統(tǒng)一樣，它們執(zhí)行專門的任務(wù)。然而，與其他嵌入式系統(tǒng)不同，它們不一定屬于主機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算器或MP3播放器就是一個(gè)例子。

- 實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)在定義的時(shí)間間隔內(nèi)提供所需的輸出。它們經(jīng)常用于醫(yī)療、工業(yè)和軍事部門，因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)時(shí)間緊迫的任務(wù)。交通控制系統(tǒng)就是一個(gè)例子。

嵌入式系統(tǒng)還可以根據(jù)其性能要求進(jìn)行分類：

- 小型嵌入式系統(tǒng)通常使用不超過 8 位的微控制器。

- 中型嵌入式系統(tǒng)使用較大的微控制器（16-32 位），并且通常將微控制器連接在一起。

- 復(fù)雜規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)通常使用多種算法，這些算法導(dǎo)致軟件和硬件復(fù)雜性，并且可能需要更復(fù)雜的軟件、可配置處理器和/或可編程邏輯陣列。

有幾種常見的嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和規(guī)模變得更加復(fù)雜，這些架構(gòu)變得必要。這些包括：

- 簡(jiǎn)單的控制循環(huán)調(diào)用子例程，子例程管理硬件或嵌入式編程的特定部分。

- 中斷控制系統(tǒng)有兩個(gè)環(huán)路：主環(huán)路和輔助環(huán)路。循環(huán)中的中斷會(huì)觸發(fā)任務(wù)。

- 協(xié)作多任務(wù)處理本質(zhì)上是位于應(yīng)用程序編程接口 (API) 中的簡(jiǎn)單控制循環(huán)。

- 搶占式多任務(wù)或多線程通常與 RTOS 一起使用，并具有同步和任務(wù)切換策略。

超大規(guī)模集成（VLSI）是描述集成電路（IC）復(fù)雜性的術(shù)語。VLSI是將數(shù)十萬個(gè)晶體管嵌入到芯片中的過程，而LSI（大規(guī)模集成）微芯片包含數(shù)千個(gè)晶體管，MSI（中規(guī)模集成）包含數(shù)百個(gè)晶體管，SSI（小規(guī)模集成）包含數(shù)十個(gè)晶體管。ULSI，即超大規(guī)模集成，是指在一個(gè)芯片上放置數(shù)百萬個(gè)晶體管。

VLSI 電路是嵌入式系統(tǒng)的共同特征。嵌入式系統(tǒng)中的許多 IC 都是 VLSI，而 VLSI 縮寫詞的使用在很大程度上已經(jīng)不再受歡迎。

調(diào)試嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)與其他大型計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境不同的一個(gè)領(lǐng)域是調(diào)試領(lǐng)域。通常，使用桌面計(jì)算機(jī)環(huán)境的開發(fā)人員擁有的系統(tǒng)既可以運(yùn)行正在開發(fā)的代碼，也可以運(yùn)行單獨(dú)的調(diào)試器應(yīng)用程序來監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)程序員通常不能。

一些編程語言在微控制器上運(yùn)行的效率足夠高，可以直接在芯片上進(jìn)行基本的交互式調(diào)試。此外，處理器通常具有可通過 JTAG 或類似調(diào)試端口進(jìn)行控制的 CPU 調(diào)試器，從而控制程序執(zhí)行。

然而，在許多情況下，程序員需要通過串行或其他端口將單獨(dú)的調(diào)試系統(tǒng)連接到目標(biāo)系統(tǒng)的工具。在這種情況下，程序員可以在通用計(jì)算機(jī)的屏幕上看到源代碼，就像在臺(tái)式計(jì)算機(jī)上調(diào)試軟件的情況一樣。另一種常用的方法是在 PC 上運(yùn)行軟件，以軟件方式模擬物理芯片。這本質(zhì)上使得調(diào)試軟件的性能成為可能，就像它在實(shí)際的物理芯片上運(yùn)行一樣。

從廣義上講，嵌入式系統(tǒng)越來越受到測(cè)試和調(diào)試的關(guān)注，因?yàn)榇罅渴褂们度胧娇刂频脑O(shè)備是為使用而設(shè)計(jì)的，特別是在安全性和可靠性是首要考慮的情況下。

在嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的領(lǐng)域中，為了確保設(shè)備的安全性和可靠性，選擇適合的工具和解決方案至關(guān)重要。作為一家專注于嵌入式技術(shù)領(lǐng)域的公司，杭州東田科技有限公司引領(lǐng)著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。