嵌入式系统教程

在我们学习嵌入式系统之前，让我们先了解

什么是系统？

系统是一种安排，其中所有组件都按照特定的定义规则工作。它是一种根据固定计划组织、工作或执行一个或多个任务的方法。

嵌入式系统的例子

激光打印机

激光打印机是嵌入式系统的例子之一，它使用嵌入式系统来管理打印的各个方面。除了执行打印这一主要任务外，它还必须接收用户输入、管理与计算机系统的通信、处理故障以及感应纸盘中剩余的纸张等。

在这里，微处理器的主要任务是理解文本并控制打印头，以便在需要的地方喷射墨水。

要完成这个任务，它需要解码提供给它的不同文件，并理解字体和图形。处理数据会消耗大量的 CPU 时间，同时它还必须接收用户输入、控制电机等。

嵌入式系统的历史

以下是嵌入式系统历史上的重要里程碑：

• 1960年，麻省理工学院的查尔斯·斯塔克·德雷珀首次将嵌入式系统用于开发阿波罗导航系统。
• 1965年，Autonetics 公司开发了 D-17B，这是用于民兵导弹制导系统的计算机。
• 1968年，首个用于车辆的嵌入式系统发布。
• 德州仪器于1971年开发了第一款微控制器。
• 1987年，Wind River 公司发布了第一个嵌入式操作系统 VxWorks。
• 微软于1996年发布了 Windows Embedded CE。
• 到20世纪90年代末，第一个嵌入式 Linux 系统出现。
• 2013年，嵌入式市场规模达到1400亿美元。
• 分析师预测，到2030年，嵌入式市场规模将超过400亿美元。

嵌入式系统的特点

以下是嵌入式系统的重要特点：

• 需要实时性能
• 应具有高可用性和可靠性。
• 围绕实时操作系统开发
• 通常具有简单的无盘操作，从 ROM 启动
• 为特定任务而设计
• 必须与外围设备连接以连接输入和输出设备。
• 提供高可靠性和稳定性
• 需要最少的用户界面
• 内存有限、成本低、功耗少
• 它不需要计算机中的任何辅助存储器。

嵌入式系统中使用的重要术语

现在，在本嵌入式系统教程中，我们将介绍一些在嵌入式系统中使用的重要术语。

可靠性

这是衡量系统在运行时功能至关重要时的生存概率。

容错性

容错性是计算机系统在存在故障的情况下能够继续运行的能力。

实时性

嵌入式系统必须满足各种时间和其他约束。这些约束是由外部世界的实时自然行为施加的。

例如，一个跟踪来袭导弹攻击的空军部门必须精确计算并计划其反击，因为存在硬实时截止时间。否则，它将被摧毁。

灵活性

它是指构建具有内置调试机会的系统，从而允许远程维护。

例如，你正在建造一艘将降落在另一个星球上收集各种数据并将收集到的细节发送回给我们的航天器。如果这艘航天器出现故障并失去控制，我们应该能够进行一些重要的诊断。因此，在设计嵌入式系统时，灵活性至关重要。

可移植性

可移植性是衡量在不同环境中使用相同嵌入式软件的难易程度。它要求在应用程序逻辑本身和底层系统接口之间有通用的抽象。

什么是微控制器？

微控制器是单芯片 VLSI 单元，也称为微型计算机。它包含所有需要的内存和 I/O 接口，而通用微处理器则需要额外的芯片来提供这些必要的功能。微控制器广泛用于嵌入式系统中的实时控制应用。

什么是微处理器？

微处理器是单芯片半导体设备。其 CPU 包含一个程序计数器、一个 ALU、一个堆栈指针、工作寄存器和一个时钟定时电路。它还包括 ROM 和 RAM、内存解码器以及许多串行和并行端口。

嵌入式系统的架构

以下是嵌入式系统的基本架构：

1) 传感器

传感器帮助您测量物理量并将其转换为电信号。它还将测量到的量存储到内存中。这个信号可以被观察者或任何电子仪器（如 A2D 转换器）读取。

2) A-D 转换器

A-D 转换器（模数转换器）允许您将传感器发送的模拟信号转换为数字信号。

3) 内存

内存用于存储信息。嵌入式系统主要包含两种内存单元：1) 易失性内存 2) 非易失性内存。

4) 处理器和 ASIC

此组件处理数据以测量输出并将其存储到内存中。

5) D-A 转换器

D-A 转换器（数模转换器）帮助您将处理器提供的数字数据转换为模拟数据。

6) 执行器

执行器允许您将 D-A 转换器给出的输出与存储在其中的实际输出进行比较，并将认可的输出存储在内存中。

嵌入式系统的类型

嵌入式系统分为三种类型：

• 小型
• 中型
• 复杂型

小型嵌入式系统

这种嵌入式系统可以用单个8位或16位微控制器来设计。它可以通过电池供电。对于开发小型嵌入式系统，编辑器、汇编器、（IDE）和交叉汇编器是最重要的编程工具。

中型嵌入式系统

这类嵌入式系统是使用16位或32位微控制器设计的。这些系统在硬件和软件上都具有复杂性。C、C++、Java 和源代码工程工具等被用来开发这类嵌入式系统。

复杂型嵌入式系统

这类嵌入式系统在硬件和软件上都有很大的复杂性。您可能需要 IPS、ASIP、PLA、可配置处理器或可扩展处理器。为了开发这种系统，您需要硬件和软件协同设计以及需要在最终系统中组合的组件。

微处理器和微控制器之间的区别

了解微处理器和微控制器之间的区别

微处理器	微控制器
它使用功能块，如寄存器、ALU、时序和控制单元。	它使用微处理器的功能块，如 RAM、定时器、并行 I/O、ADC 和 DAC。
在微处理器中，位处理指令较少，只有一两种类型。	微控制器提供多种位处理指令。
提供代码和数据在外部存储器和微处理器之间的快速移动。	提供代码和数据在微控制器内部的快速移动。
帮助您设计通用数字计算机系统。	帮助您设计特定应用的专用系统。
它允许您一次执行多任务。	它是一个单任务导向的系统。
在微处理器系统中，您可以决定所需的内存或 I/O 端口数量。	在微控制器系统中，固定的内存或 I/O 数量使微控制器非常适合完成特定任务。
支持外部内存和 I/O 端口，这使得系统更重、更昂贵。	与微处理器相比，这类系统更轻便、更便宜。
外部设备需要更多空间，其功耗也相当高。	这类系统占用的空间更少，功耗也非常低。

嵌入式系统的应用

以下是嵌入式系统的重要应用：

机器人科学

• 地面车辆
• 无人机
• 水下航行器
• 工业机器人

医疗

• 透析机
• 输液泵
• 心电监护仪
• 假肢设备

汽车

• 发动机控制
• 点火系统
• 刹车系统

网络

• 路由器
• 集线器
• 网关
• 电子仪器

家用设备

• 电视
• 数字闹钟
• 空调
• DVD视频播放器
• 相机

汽车

• 燃油喷射
• 照明系统
• 门锁
• 安全气囊
• 车窗
• 停车辅助系统
• 防盗报警器、雨刮器、运动传感器

工业控制

• 机器人技术
• 控制系统
• 导弹
• 核反应堆
• 空间站
• 航天飞机

嵌入式系统的优点

以下是使用嵌入式系统的优点/好处：

• 它能够覆盖各种各样的环境
• 更不容易发生错误
• 嵌入式系统简化了硬件，从而降低了总体成本。
• 提供增强的性能
• 嵌入式系统适用于大规模生产。
• 嵌入式系统高度可靠。
• 它的互连非常少。
• 嵌入式系统体积小。
• 它运行速度快。
• 提供更高的产品质量。
• 它优化了系统资源的使用。
• 它的功耗低。

嵌入式系统的缺点

以下是使用嵌入式系统的重要缺点/弊端。

• 开发嵌入式系统需要大量的开发工作。
• 它需要很长的上市时间。
• 嵌入式系统执行非常具体的任务，因此不能被编程来做不同的事情。
• 嵌入式系统为内存提供的资源非常有限。
• 它不提供任何技术改进。
• 备份嵌入式文件很困难。

摘要

• 系统是一种安排，其中所有组件都按照特定的定义规则组装工作。
• 嵌入式系统定义：嵌入式系统是指计算机软件和硬件的组合，其功能是固定的或可编程的。
• 嵌入式系统的例子是激光打印机，它管理打印的各个方面。
• 1960年，麻省理工学院的查尔斯·斯塔克·德雷珀首次将嵌入式系统用于开发阿波罗导航系统。
• 嵌入式系统需要实时性能
• 可靠性是衡量系统在运行时功能至关重要时的生存概率。
• 容错性是计算机系统在存在故障的情况下能够继续运行的能力。
• 嵌入式系统必须满足各种时间和其它约束。
• 灵活性是指构建具有内置调试机会的系统，从而允许远程维护。
• 可移植性是衡量在不同环境中使用相同嵌入式软件的难易程度。
• 微控制器是单芯片 VLSI 单元，也称为微型计算机。
• 微处理器是单芯片半导体设备。其 CPU 包含一个程序计数器、一个 ALU、一个堆栈指针、工作寄存器和一个时钟定时电路。
• 嵌入式系统的架构包括：传感器、A-D 转换器、内存、处理器和 ASIC、D-A 转换器和执行器。
• 嵌入式系统有三种类型：1) 小型，2) 中型，和 3) 复杂型。
• 微处理器和微控制器之间的主要区别在于，微处理器中的位处理指令较少，而微控制器提供多种位处理指令。
• 嵌入式系统的应用包括：1) 机器人科学，2) 医疗，3) 汽车，3) 网络，4) 家用设备，5) 汽车，和 6) 工业控制。
• 嵌入式系统的主要优点是它能够覆盖各种各样的环境。
• 嵌入式系统的主要缺点是它需要很长的上市时间。