阿德雷德大学课程辅导|嵌入式系统

嵌入式系统是为特定功能而设计的计算机硬件和软件的组合。嵌入式系统也可以在更大的系统内运行。这些系统可以是可编程的，也可以具有固定的功能。工业机器、消费类电子产品、农业和加工行业设备、汽车、医疗设备、摄像机、数字手表、家用电器、飞机、自动售货机和玩具，以及移动设备都是嵌入式系统可能存在的地方。

虽然嵌入式系统是计算系统，但其范围可以从没有用户界面(UI)——例如，用于执行单一任务的设备——到复杂的图形用户界面(GUI)，例如在移动设备中。用户界面可以包括按钮、LED(发光二极管)和触摸屏感应。有些系统也使用远程用户界面。

一、嵌入式系统的示例

嵌入式系统在各种技术和各个行业中被广泛应用。一些例子包括：

1.汽车

现代汽车通常包含许多计算机(有时多达100台)，或称为嵌入式系统，旨在在车辆内执行不同的任务。其中一些系统执行基本的实用功能，而其他系统提供娱乐或面向用户的功能。消费型汽车中的一些嵌入式系统包括巡航控制、倒车传感器、悬挂控制、导航系统和气囊系统。

2.手机

这些包括许多嵌入式系统，包括GUI软件和硬件、操作系统(OSes)、摄像头、麦克风以及USB(通用串行总线)I/O(输入/输出)模块。

3.工业机器

它们可能包含传感器等嵌入式系统，并且它们本身也可以是嵌入式系统。工业机器通常具有执行特定监控和控制功能的嵌入式自动化系统。

二、嵌入式系统如何工作?

嵌入式系统始终作为完整设备的一部分运行——这就是“嵌入”一词的含义。它们是嵌入在其他机械或电气系统中的低成本、低功耗、小型计算机。通常，它们包括处理器、电源和存储器以及通信端口。嵌入式系统使用通信端口通过通信协议在处理器和外围设备之间传输数据——通常是其他嵌入式系统。处理器借助存储在存储器中的最小软件来解释这些数据。这些软件通常与嵌入式系统提供的功能高度相关。

处理器可以是微处理器或微控制器。微控制器只是带有外围接口和集成内存的微处理器。微处理器使用单独的集成电路来处理内存和外围设备，而不是将它们包含在芯片上。两者都可以使用，但是微处理器通常需要更多的支持电路，因为微处理器集成的功能较少。术语片上系统(SoC)经常被使用。SoC在单个芯片上包含多个处理器和接口。它们通常用于高产量的嵌入式系统。一些SoC类型的例子是特定应用集成电路(ASIC)和可编程门阵列(FPGA)。

通常，嵌入式系统在实时操作环境中使用实时操作系统(RTOS)与硬件通信。在芯片能力较高的情况下，设计师们通常会选择近乎实时的方法，这些方法由设计师定义，认为系统通常足够快，任务能够容忍轻微的反应变化。在这些情况下，通常会部署精简版的Linux操作系统，虽然也有其他操作系统被精简用于嵌入式系统，包括嵌入式Java和Windows IoT(之前称为Windows Embedded)。

三、嵌入式系统的特点

嵌入式系统的主要特点是它们是面向特定任务的。

此外，嵌入式系统可能具有以下特点：

通常由硬件、软件和固件组成;

可以嵌入到较大系统中执行特定功能，因为它们是针对系统内的专业任务构建的，而不是各种任务;

可以基于微处理器或微控制器——两者都是提供系统计算能力的集成电路;

通常用于物联网(IoT)设备中的传感和实时计算，这些设备是连接到互联网的，不需要用户操作;

可以在复杂性和功能上有所不同，这影响它们使用的软件、固件和硬件类型;

通常需要在时间限制下执行其功能，以保持较大系统正常运行。

四、嵌入式系统的结构

嵌入式系统的复杂性各不相同，但通常包括三个主要元素：

1.硬件

嵌入式系统的硬件基于微处理器和微控制器。微处理器与微控制器非常相似，通常指的是集成有其他基本计算组件(如存储器芯片和数字信号处理器(DSP))的CPU(中央处理单元)。微控制器将这些组件构建到一个芯片中。

2.软件和固件

嵌入式系统的软件复杂性各不相同。然而，工业级微控制器和嵌入式物联网系统通常运行非常简单的软件，需要很少的内存。

3.实时操作系统

这些并不总是包含在嵌入式系统中，特别是较小规模的系统。RTOS通过监督软件并在程序执行期间设置规则来定义系统的工作方式。

在硬件方面，基本的嵌入式系统将包括以下元素：

传感器将物理感知数据转换为电信号。

模数转换器将模拟电信号转换为数字信号。

处理器处理数字信号并将其存储在内存中。

数字模数转换器将处理器的数字数据转换为模拟数据。

执行器将实际输出与存储在内存中的输出进行比较，并选择正确的输出。

传感器读取外部输入，转换器使该输入对处理器可读，处理器将该信息转换为嵌入式系统的有用输出。

五、嵌入式系统的类型

有几种基本的嵌入式系统类型，它们在功能需求上有所不同。它们分别是：

移动嵌入式系统是设计为便携的小型系统。数码相机就是一个例子。

网络嵌入式系统连接到网络，向其他系统提供输出。例如家庭安全系统和销售点(POS)系统。

独立嵌入式系统不依赖于主机系统。像任何嵌入式系统一样，它们执行特定的任务。但是，它们不一定属于主机系统，不同于其他嵌入式系统。计算器或MP3播放器就是一个例子。

实时嵌入式系统在定义的时间间隔内提供所需的输出。它们通常用于医疗、工业和军事领域，因为它们负责时间关键任务。交通控制系统就是一个例子。

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