什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)很普遍，但它們究竟是什么，它們?cè)谀睦锸褂?？在本文?a target="_blank">工程師將嵌入式系統(tǒng)與臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦進(jìn)行比較，考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹一些應(yīng)用程序和示例。

我們都熟悉英特爾奔騰系列等微處理器，因?yàn)樗鼈優(yōu)槲覀兊娜粘ｋ娮釉O(shè)備提供動(dòng)力：臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)。然而，這些微處理器以及許多其他類型的微處理器也促進(jìn)了另一種同樣無處不在但不太明顯的機(jī)器——嵌入式系統(tǒng)。

事實(shí)上，2017年銷售的微處理器中只有53%是計(jì)算機(jī)CPU。32%用于平板電腦和智能手機(jī)，其余用于嵌入式處理（IC Insights）。

一、什么是嵌入式系統(tǒng)？

與可以隨身攜帶并用于任何應(yīng)用程序的筆記本電腦不同，嵌入式系統(tǒng)專為特定設(shè)備或機(jī)器而設(shè)計(jì)，并用于控制其操作?！霸O(shè)備或機(jī)器”可以是從智能手表到大型醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)或機(jī)器人的任何東西，正如其名稱所暗示的那樣，嵌入式系統(tǒng)通常嵌入其中。

由于其控制功能，嵌入式系統(tǒng)必須能夠監(jiān)控傳感器輸入，如溫度、電壓或視頻，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)執(zhí)行控制和可能的分析計(jì)算，并將輸出設(shè)置為執(zhí)行器，如顯示器、燈、電機(jī)、或相應(yīng)的閥門。因此，嵌入式系統(tǒng)必須有一組輸入端口，這些端口在電氣和物理上與它們所監(jiān)控的傳感器兼容。它們應(yīng)該具有正確的范圍和比例，并具有合適的精度和準(zhǔn)確度。還應(yīng)該內(nèi)置對(duì)電氣干擾造成的損壞或損壞的抵抗力。還必須提供具有足夠功率來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的輸出，以及電源和控制電路之間的電氣隔離。

嵌入式系統(tǒng)封裝——容納電子設(shè)備和電源的外殼，這也是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)經(jīng)常安裝在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件的位置。例如，灰塵和其他物體、濕氣甚至水的進(jìn)入都可能是一種威脅。解決方案是將嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建到“IP（入口保護(hù)）等級(jí)”外殼中，其IP等級(jí)足以承受目標(biāo)環(huán)境。IP等級(jí)由IEC60529定義。

溫度管理是另一個(gè)關(guān)鍵因素，特別是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)通常內(nèi)置于狹小、受限的空間中，無法輕松排出熱量——如果操作環(huán)境溫度升高，這種情況可能會(huì)加劇。盡管可以設(shè)計(jì)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，但如果可能，更好的解決方案是使用無風(fēng)扇運(yùn)行的冷運(yùn)行CPU。這節(jié)省了空間和冷卻能源，還提高了可靠性，因?yàn)闆]有風(fēng)扇故障。此外，消除通風(fēng)使IP保護(hù)更容易。

固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)器和隔振安裝套件的使用也可能是安裝到易受沖擊和振動(dòng)的位置（例如火車或輪船）或進(jìn)行爆破和鉆孔作業(yè)的礦井中所必需的。

嵌入式系統(tǒng)的大小差異很大，這取決于它們必須控制的輸入和輸出的數(shù)量，以及所需控制功能的速度和復(fù)雜性。例如，智能手表控制器需要在單個(gè)小型印刷電路板上實(shí)現(xiàn)。然而，對(duì)于大型應(yīng)用程序，更典型的方法是使用工業(yè)PC，因?yàn)樗哂徐`活性和可擴(kuò)展性，并且在某種程度上，它使用了標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件組件。

在架構(gòu)上，嵌入式PC類似于其臺(tái)式機(jī)，但由于上述環(huán)境原因，其硬件實(shí)現(xiàn)將大不相同。然而，另一個(gè)主要區(qū)別在于操作系統(tǒng)。像Windows10這樣的桌面環(huán)境不太適合，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)目的不是提供處理實(shí)時(shí)事件的控制功能。相反，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）用于提供實(shí)時(shí)控制必不可少的功能。

首先，RTOS對(duì)其正在測(cè)量的事件提供快速且確定性的響應(yīng)；“確定性”意味著“能夠在有保證的時(shí)間范圍內(nèi)做出響應(yīng)”。然后，RTOS必須能夠在任務(wù)之間快速切換，以有效響應(yīng)發(fā)生的多個(gè)可能隨機(jī)事件。為了優(yōu)化應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)，必須可以為任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)，以反映它們支持的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。

RTOS還應(yīng)表現(xiàn)出高度的安全性和可靠性。它們應(yīng)該包括對(duì)看門狗定時(shí)器的支持，允許它們?cè)谲浖i定后自動(dòng)復(fù)位。

二、嵌入式系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

與臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦相比，嵌入式系統(tǒng)既有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)——盡管某些功能的優(yōu)勢(shì)或劣勢(shì)在一定程度上取決于應(yīng)用程序。

三、嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

它們可以通過專用于單個(gè)應(yīng)用程序來降低成本。例如，可以排除高性能圖形；有些系統(tǒng)可能根本沒有圖形用戶界面。如果目標(biāo)應(yīng)用程序不需要高性能處理，其他系統(tǒng)可能具有有限性能和功率需求的處理器。此類系統(tǒng)的功率要求也較低，有些甚至可能依靠電池運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)也可以非常緊湊且易于定位，特別是如果它們不需要圍繞它們的大的自由空間外殼進(jìn)行通風(fēng)。

此外，嵌入式系統(tǒng)非?？煽?，因?yàn)樗鼈儽仨殱M足其應(yīng)用程序的需求。它們可以在惡劣的環(huán)境和電氣條件下存活，甚至可能被故意濫用，例如，在公共場(chǎng)所就很有用。

四、嵌入式系統(tǒng)的缺點(diǎn)

由于嵌入式系統(tǒng)往往被設(shè)計(jì)為僅處理一項(xiàng)特定任務(wù)，將它們重新分配給不同的應(yīng)用程序可能很困難。可能很少或沒有備用通信端口或擴(kuò)展卡插槽。此外，他們的RTOS在支持廣泛的軟件應(yīng)用程序方面不會(huì)像桌面Windows一樣——即使它支持，處理它們的能力和內(nèi)存也可能是有限的。

在比較性能相似的臺(tái)式機(jī)和嵌入式系統(tǒng)時(shí)，嵌入式系統(tǒng)可能會(huì)更貴。這是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的生產(chǎn)量以及成本攤銷的機(jī)會(huì)將會(huì)減少。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)還傾向于使用更高質(zhì)量和更昂貴的材料和組件，以提高耐用性和可靠性。

五、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

上面，我們已經(jīng)提到嵌入式系統(tǒng)可以在各種規(guī)模的應(yīng)用程序中找到，比如智能手表。其他小例子包括：

（1）GPS接收器；

（2）數(shù)碼相機(jī)；

（3）游戲機(jī)；

（4）無線路由器；

（5）復(fù)印機(jī)。

在這種情況下，智能手機(jī)是有趣的設(shè)備。它們展示了嵌入式系統(tǒng)的許多特征——但它們也可以接受和運(yùn)行用戶指定的應(yīng)用程序，使它們?cè)谶@方面就像臺(tái)式機(jī)一樣！

類似的論點(diǎn)也適用于工業(yè)中廣泛使用的可編程邏輯控制器（PLC）。它們通?；诠I(yè)PC架構(gòu)，因此，盡管它們具有嵌入式系統(tǒng)特性，例如堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和RTOS，但它們也具有桌面PC類型的能力來接受不同的應(yīng)用程序。其他更專業(yè)更大規(guī)模的應(yīng)用程序包括：

（1）工業(yè)機(jī)器人手臂控制器；

（2）交通燈控制器；

（3）安全系統(tǒng)；

（4）航空航天應(yīng)用；

（5）制造過程中使用的過程控制系統(tǒng)。