什么是嵌入式系統?

嵌入式系統由硬件和軟件組成．是能夠du立進行運作的器件。其軟件內容只包括軟件運行環境及其操作系統。硬件內容包括信號處理器、存儲器、通信模塊等在內的多方面的內容。相比于一般的計算機處理系統而言，嵌入式系統存在較大的差異性， 它不能實現大容量的存儲功能，因為沒有與之相匹配的大容量介質，大部分采用的存儲介質有E-PROM、EEPROM DENG等， 軟件部分以API編程接口作為開發平臺的核心。

本文目錄：嵌入式系統定義   嵌入式系統發展過程   嵌入式系統特點   嵌入式系統組成   嵌入式系統嵌入式方式   嵌入式系統應用場景

嵌入式系統定義

嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統。要點概括：

1. 以應用為中心：強調嵌入式系統的目標是滿足用戶的特定需求。就絕大多數完整的嵌入式系統而言，用戶打開電源即可直接享用其功能，無需二次開發或僅需少量配置操作。
2. 專用性：嵌入式系統的應用場合大多對可靠性、實時性有較高要求，這就決定了服務于特定應用的專用系統是嵌入式系統的主流模式，它并不強調系統的通用性和可擴展。這種專用性通常也導致嵌入式系統是一個軟硬件緊密集成的zui終系統，因為這樣才能geng有效地提高整個系統的可靠性并降低成本，并使之具有geng好的用戶體驗。
3. 以現代計算機技術為核心：嵌入式系統的zui基本支撐技術，大致上包括集成電路設計技術、系統結構技術、傳感與檢測技術、嵌入式操作系統和實時操作系統技術、資源受限系統的高可靠軟件開發技術、系統形式化規范與驗證技術、通信技術、低功耗技術、特定應用領域的數據分析、信號處理和控制優化技術等，它們圍繞計算機基本原理，集成進特定的專用設備就形成了一個嵌入式系統。
4. 軟硬件可裁剪：嵌入式系統針對的應用場景如此之多，并帶來差異性極大的設計指標要求(功能性能、可靠性、成本、功耗)，以至于現實上很難有一套方案滿足所有的系統要求，因此根據需求的不同，靈活裁剪軟硬件、組建符合要求的zui終系統是嵌入式技術發展的必然技術路線。

嵌入式系統發展過程

嵌入式計算機的真正發展是在微處理器問世之后。1971年11月，算術運算器和控制器電路成功的被集成在一起，推出了di一款微處理器，其后各廠家陸續推出了8位、16位微處理器。以這些微處理器為核心所構成的系統廣泛地應用于儀器儀表、醫療設備、機器人、家用電器等領域。微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產品，再由用戶根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板及各式I/O插件板，從而構成專用的嵌入式計算機系統，并將其嵌入自己的系統設備中。

20世紀80年代，隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式計算機應用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D轉換器、D/A轉換器、串行接口，以及RAM、ROM等部件全部集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，即俗稱的單片機。單片機成為嵌入式計算機中異j突起的一支新秀。20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進一步快速發展。面向實時信號處理算法的DSP產品向著高速、高精度、低功耗的方向發展。21世紀是一個網絡盛行的時代，將嵌入式系統應用到各類網絡中是其發展的重要方向。

嵌入式系統的發展大致經歷了以下三個階段：

1. di一階段：嵌入技術的早期階段。嵌入式系統以功能簡單的專用計算機或單片機為核心的可編程控制器形式存在，具有監測、伺服、設備指示等功能。這種系統大部分應用于各類工業控制和飛機、導彈等武q裝b中。
2. di二階段：以高端嵌入式CPU和嵌入式操作系統為標志。這--階段系統的主要特點是計算機硬件出現了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等，且支持操作系統，支持復雜應用程序的開發和運行。
3. di三階段：以芯片技術和Internet技術為標志。微電子技術發展迅速，SOC(片上系統)使嵌入式系統越來越小，功能卻越來越強。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發展及Internet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切，嵌入式技術正在進入快速發展和廣泛應用的時期。

嵌入式系統特點

嵌入式系統的硬件和軟件必須根據具體的應用任務，以功耗、成本、體積、可靠性、處理能力等為指標來進行選擇。嵌入式系統的核心是系統軟件和應用軟件，由于存儲空間有限，因而要求軟件代碼緊湊、可靠，且對實時性有嚴格要求。從構成上看，嵌入式系統是集軟硬件于一體的、可du立工作的計算機系統；從外觀上看，嵌入式系統像是一個“可編程”的電子“器件”；從功能上看，它是對目標系統(宿主對象)進行控制，使其智能化的控制器。從用戶和開發人員的不同角度來看，與普通計算機相比較，嵌入式系統具有如下特點：

1. 專用性強。由于嵌入式系統通常是面向某個特定應用的，所以嵌入式系統的硬件和軟件，尤其是軟件，都是為特定用戶群設計的，通常具有某種專用性的特點。
2. 體積小型化。嵌入式計算機把通用計算機系統中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于實現小型化，方便將嵌入式系統嵌入目標系統中。
3. 實時性好。嵌入式系統廣泛應用于生產過程控制、數據采集、傳輸通信等場合，主要用來對宿主對象進行控制，所以對嵌入式系統有或多或少的實時性要求。例如，對武q中的嵌入式系統，某些工業控制裝置中的控制系統等的實時性要求就極高。有些系統對實時性要求也并不是很高，例如，近年來發展速度比較快的掌上電腦等。但總體來說，實時性是對嵌入式系統的普遍要求，是設計者和用戶應重點考慮的一個重要指標。
4. 可裁剪性好。從嵌入式系統專用性的特點來看，嵌入式系統的供應者理應提供各式各樣的硬件和軟件以備選用，力爭在同樣的硅片面積上實現geng高的性能，這樣才能在具體應用中geng具競爭力。
5. 可靠性高。由于有些嵌入式系統所承擔的計算任務涉及被控產品的關鍵質量、人身設備安q，甚至國jia機密等重大事務，且有些嵌入式系統的宿主對象工作在無人值守的場合，如在危險性高的工業環境和惡劣的野外環境中的監控裝置。所以，與普通系統相比較，嵌入式系統對可靠性的要求極高。
6. 功耗低。有許多嵌入式系統的宿主對象是一些小型應用系統，如移動電話、MP3、數碼相機等，這些設備不可能配置交流電源或容量較大的電源，因此低功耗一直是嵌入式系統追求的目標。
7. 嵌入式系統本身不具備自我開發能力，必須借助通用計算機平臺來開發。嵌入式系統設計完成以后，普通用戶通常沒有辦法對其中的程序或硬件結構進行修改，必須有一套開發工具和環境才能進行。
8. 嵌入式系統通常采用“軟硬件協同設計”的方法實現。早期的嵌入式系統設計方法經常采用的是“硬件優先”原則，即在只粗略估計軟件任務需求的情況下，shou先jin行硬件設計與實現，然后在此硬件平臺之上進行軟件設計。如果采用傳統的設計方法，則一旦在測試中發現問題，需要對設計進行修改時，整個設計流程將重新進行，對成本和設計周期的影響很大。系統的設計在很大程度上依賴于設計者的經驗。20世紀90年代以來，隨著電子和芯片等相關技術的發展，嵌入式系統的設計和實現出現了軟硬件協同設計方法，即使用統一的方法和工具對軟件和硬件進行描述、綜合和驗證。在系統目標要求的指導下，通過綜合分析系統軟硬件功能及現有資源，協同設計軟硬件體系結構，以zui大限度地挖掘系統軟硬件能力，避免由于du立設計軟硬件體系結構而帶來的種種弊病，得到高性能、低代價的優化設計方案。

嵌入式系統組成

嵌入式系統zui核心的層次是中央處理單元部分，它包含運算器和控制器模塊，在cpu的基礎上進一步配上存儲器模塊、電源模塊、復位模塊等就構成了通常所說的zui小系統。由于技術的進步，集成電路生產商通常會把許多外設做進同一個集成電路中，這樣在使用上geng加方便，這樣一個芯片通常稱之為微控制器。在微控制器的基礎上進一步擴展電源傳感與檢測、執行器模塊以及配套軟件并構成一個具有特定功能的完整單元，就稱之為一個嵌入式系統或嵌入式應用。

硬件結構

盡管各種具體的嵌入式系統的功能、外觀界面、操作等各不相同，甚至千差萬別，但是基本的硬件結構卻是大同小異的，而且和通用計算機的硬件系統有著高度的相似性。嵌入式系統的硬件部分看起來與通用計算機系統的沒有什么區別，也由處理器、存儲器、外部設備、I/O接口、圖形控制器等部分組成。但是嵌入式系統應用上的特點致使嵌入式系統在軟硬件的組成和實現形式上與通用計算機系統有較大區別。為滿足嵌入式系統在速度、體積和功耗上的要求，操作系統、應用軟件、特殊數據等需要長qi保存的數據，通常不使用磁盤這類具有大容量且速度較慢的存儲介質，而大多使用EPROM、E2PROM或閃存(Flash Memory)。在嵌入式系統中，A/D或D/A模塊主要用于測控方面，這在通用計算機中用得很少。根據實際應用和規模的不同，有些嵌入式系統要采用外部總線。隨著嵌入式系統應用領域的迅速擴張，嵌入式系統越來越趨于個性化，根據自身特點采用總線的種類也越來越多。另外，為了對嵌入式處理器內部電路進行測試，處理器芯片普遍采用了邊界掃描測試技術(JTAG)。

軟件體系

嵌入式系統的軟件體系是面向嵌入式系統特定的硬件體系和用戶要求而設計的，是嵌入式系統的重要組成部分，是實現嵌入式系統功能的關鍵。嵌入式系統軟件體系和通用計算機軟件體系類似，分成驅動層、操作系統層、中間件層和應用層等四層，各有其特點。

嵌入式系統嵌入方式

嵌入式系統是通過把CPU嵌入目標系統或被控系統中起作用的。但是在不同的嵌入式系統中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據嵌入式系統和通用計算機連接關系的密切程度，嵌入形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。

全嵌入方式

如果采用全嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)可以不依賴于通用計算機系統，即可單du工作，典型實例有手機、MP4、車載GPS導航系統等。采用全嵌入方式的嵌入式系統有如下特點：

1. 具有du立的處理器系統，且具有完整的輸入/輸出系統，能du立完成系統的功能。
2. 高端CPU支持嵌入式操作系統，可以開發功能復雜的應用程序。
3. 一般為便攜式手持式設備，其工作環境一般是無人值守、移動空間、高空或其他條件惡劣的環境。
4. 供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統自行設計轉換和穩壓電路。較高端的設備往往會把兩種供電方式結合起來，讓用戶使用起來geng加靈活。
5. 全嵌入方式適合任何不宜采用通用計算機的場合，如消費電子、家用電器、通信網絡設備、工業控制、智能儀器、戰場電子對抗、航k航t武q等，其應用范圍十分廣泛。

半嵌入方式

如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)需要和通用計算機系統結合起來才能正常工作，典型實例有醫用Bchao系統、基于PCI卡的數據采集系統等。采用半嵌入方式的嵌入式系統有如下特點：

1. 一般沒有du立的處理器，而是借用通用計算機系統的CPU完成計算和/或控制功能;有時即使具有自己的du立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統的功能。
2. 嵌入式系統只是整個系統的--部分，只能完成整個系統的一部分功能，而其他功能需要在通用計算機上完成。通用計算機利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機操作界面和強大的數據處理能力。
3. 嵌入式系統的功能體現在對前端數據的采集和執行對被控對象的控制，其中的數據分析、處理和存儲等功能由通用計算機系統完成。
4. 嵌入式系統一般采用各種規范的總線形式和通用計算機相連接。典型的實例有PCI總線、USB總線等，簡單的嵌入式系統還可以通過串口來連接。
5. 嵌入式系統是作為外設連接在通用計算機上的，因此在通用計算機中一般需要提供嵌入式系統的標準驅動程序。

嵌入式系統應用場景

嵌入式系統的應用十分廣泛，涉及工業生產、日常生活、工業控制、航k航t等多個領域，而且隨著電子技術和計算機軟件技術的發展，不僅在這些領域中的應用越來越深入，而且在其他傳統的非信息類設備中也逐漸顯現出其用武之地。

工業控制

基于嵌入式芯片的工業自動化設備將獲得長足的發展，目前已經有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器在應用中。網絡化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源的主要途徑，如工業過程控制、數字機床、電力系統、電網安q、電網設備監測、石油化工系統。就傳統的工業控制產品而言，低端產品往往采用的是8位單片機。隨著計算機技術的發展，32位、64位的處理器已逐漸成為工業控制設備的核心。

交通管理

在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，嵌入式技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功。目前，GPS設備已經從尖duan的科技產品進入了普通百姓的家庭。

信息家電

家電將成為嵌入式系統zui大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步人一個嶄新的空間。即使不在家，也可以通過電話、網絡對家電進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統將大有用武之地。

家庭智能管理系統

水表、電表、煤氣表的遠程自動抄表系統，安q防火、防盜系統，嵌有專用控制芯片，這種專用控制芯片將代替傳統的人工操作，完成檢查功能，并實現高、jing確和安q的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現了嵌入式系統的優勢。

POS網絡及電子商務

公共交通無接觸智能卡(Contactless Smart Card，CSC)發行系統、公共電話卡發行系統、自動售貨機等智能ATM終端已全mian走進人們的生活，在不遠的將來手持一張卡就可以行遍天下。

環境工程與自然

在很多環境惡劣、地況復雜的地區需要進行水文資料實時監測、防洪體系及水土質量監測堤壩安q與地震監測、實時氣象信息和空氣污染監測等時，嵌入式系統將實現無人監測。

機器人

嵌入式芯片的發展將使機器人在微型化、高智能方面的優勢geng加明顯，同時，會大幅度降低機器人的價格，使其在工業領域和服務領域獲得geng廣泛的應用。

上述就是《什么是嵌入式系統》的全部內容。魯成偉業是一家加固計算機、特種計算機、工業計算機生產廠家，專注于嵌入式計算機（嵌入式工控機、嵌入式顯示器、嵌入式一體機）等產品研發、生產、銷售工作。如您對嵌入式系統計算機有需求請聯系我們，15年經驗，魯成偉業團隊將竭力為您服務。