學習筆記1：嵌入式系統的概念、特點、應用和組成

按照傳統的觀點，我們的計算機主要分為超算、大型、中型、小型和微型機。但這種劃分往往不太準確，因為計算機技術信息發展，小型計算機和微型計算機的能力相較之前也變得非常強大。所以我們以應用為中心來分類計算機，將計算機分成嵌入式應用和非嵌入式應用計算機，于是就產生了嵌入式計算機和通用計算機的區別。

那么嵌入式計算機的系統定義，是用于控制、監視或者輔助設備機器和車間運行的裝置。嵌入式計算機則以嵌入式系統的形式，隱藏在各種裝置產品和系統中。

我們普遍認同的嵌入式系統，其英文為Embedded Systems。它是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

它是一個技術密集、資金密集、高度分散而又不斷創新的知識集成系統，它將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各行各業的具體應用結合起來。

一、嵌入式系統的特點

1.嵌入式系統與應用密切相關

它面向用戶，面向產品，面向應用。其處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面，均受到應用要求的制約。

2.嵌入式系統存儲資源有限

本著夠用就行的原則，嵌入式系統的存儲資源是十分寶貴的。因為它還有實時性的要求，所以程序的編寫質量和編譯工具的質量要更高，以減少程序二進制代碼長度，提高執行速度。

3.嵌入式系統具有實時約束特點

由于嵌入式系統很多都是實時系統。在多任務嵌入式系統中，對重要性各不相同的任務進行統籌兼顧的合理調度，是保證每個任務及時執行的關鍵，單純通過提高處理器速度，是無法完成和沒有效率的，這種任務調度只能由優化編寫的系統軟件來完成，因此，系統軟件的高實時性就成了基本的要求。

4.它需要交叉開發環境和調試工具

嵌入式系統本身不具備自己開發能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須用一套開發工具和環境才能進行開發，這些工具和環境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備，以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。

二、嵌入式系統的應用

嵌入式系統的應用可以分為三大類：民用、工業用和特殊用途。它的應用非常廣泛，涉及通信、網絡、消費電子產品、信息家電，醫療儀器、汽車電子、工業控制、儀器儀表、航天、國防等各個行業和領域。

其中，通信領域大量應用嵌入式系統，主要包括程控交換機、路由器、IP交換機、傳輸設備等。

在消費電子領域，正在向著數字化和網絡化的方向發展，高清晰度數字電視將逐漸取代傳統的模擬電視，地面波Dtmb技術也需要嵌入式系統的支持。

在物聯網時代，各種家用電器和手機將實現互聯。同時，物聯網還將醫療儀器、汽車電子、工業控制、儀器儀表等領域結合在一起，他們對智能控制需求的不斷增長，設備智能化、數字化為嵌入式系統提供了巨大的市場。

時至今日，嵌入式系統已經無處不在、無孔不入，與我們的生活息息相關。

三、嵌入式系統的構成

首先，嵌入式系統包括硬件和軟件兩個部分。它的軟件和硬件都非常精簡，是量身定制的專用計算機及應用系統。

（一）嵌入式系統的硬件

嵌入式系統的硬件架構，是以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、IO設備、通信模塊、電源等必要的輔助接口，更重要的是，它還是嵌入式系統軟件運行的物理平臺。

作為嵌入式系統硬件的核心，嵌入式微處理器主要分為以下四類：

1.嵌入式微處理器，Embedded Microprocessors Unit，即EMPU；由嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在同一塊電路板上，可稱為單板計算機。比較有代表性的是ARM和X86。

2.嵌入式微控制器，英文Micro Controller Unit ，即MCU；嵌入式微控制器又稱為單片機，它能將整個計算機系統集成到一塊芯片之中。

3.嵌入式DSP處理器，英文Embedded Digital Signal Processor即EDSP，即嵌入式數字信號處理器；例如語音合成和編碼解碼器、數字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上，DSP都獲得了大規模的應用。

4.嵌入式片上系統，英文System on Chip，即SoC。它是一種基于知識產權（IP）核嵌入式系統設計技術。它結合了許多功能區塊，將功能做在一個芯片上，利用多種微處理器核心，加上通信的接口單元，形成獨立的處理芯片：比如通用串行端口USB、 TCP/IP通信單元、藍牙模塊接口、GPRS通信接口、3G通信接口等。在5G時代，半導體工廠可以通過設計圖制作出手機專用5G芯片。

（二）嵌入式系統軟件

嵌入式系統軟件可以分為兩大類：含操作系統的、不含操作系統的。它是整個嵌入式系統的控制核心，控制整個系統運行，提供人機交互信息等。

其中，功能簡單的嵌入式系統，可以僅有應用程序和設備驅動程序。而設計較為復雜的程序時，可能需要一個操作系統OS，來管理、控制內存、多任務、周邊資源等。值得一提的是，為了減少應用程序員的工作量，可以依據嵌入式系統所提供的程序界面來編寫應用程序。

對于使用操作系統的嵌入式系統來說，其系統軟件結構一般，包括四個層面：設備驅動層、實時操作系統RTOS、應用程序接口API層、實際應用程序層。和硬件電路的可裁剪性一樣，軟件部分也是可裁剪的。

為了滿足嵌入式系統的需要，其操作系統必須包括一些最基本的功能，比如，中斷處理和進程調度，用戶可以通過API來使用操作系統。

基于操作系統的實時性，嵌入式系統的正確性，不僅依賴于計算的邏輯，結果也依賴于結果產生的時間。

四、嵌入式系統的其它特點

節能，可以通過電池供電，持續長達一年之久。體積小，功能單一。嵌入式系統與通用系統相比，技術路線完全不同。下圖為血壓監測的應用：

小結

嵌入式系統開發的基礎知識：包括嵌入式系統的概念、特點、應用和組成，涉及了嵌入式系統開發基本知識和概念，能夠系統的建立起嵌入式系統開發的整體框架和知識體系。