嵌入式系统教程：什么是、历史和特点

在学习嵌入式系统之前，让我们先学习：

什么是系统？

系统是一种所有组件都按照特定定义规则工作的安排。它是一种根据固定计划组织、工作或执行一项或多项任务的方法。

嵌入式系统示例

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。除了执行打印的主要任务外，它还必须接受用户输入、管理与计算机系统的通信、处理故障以及检测托盘上剩余的纸张等。

这里，微处理器的主要任务是理解文本并控制打印头，使其在需要的地方排出墨水。

为了实现这一点，它需要解码提供给它的不同文件并理解字体和图形。它将消耗大量的 CPU 时间来处理数据，并且必须接受用户输入、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Charles Stark Draper首次将嵌入式系统用于开发阿波罗制导系统。
• 1965 年，Autonetics 公司开发了民兵导弹制导系统所用的计算机 D-17B。
• 1968年，第一个车载嵌入式系统发布。
• 德州仪器于 1971 年开发出第一个微控制器。
• 1987年，第一个嵌入式操作系统VxWorks由Wind River公司发布。
• Microsoft“ Windows 1996 年嵌入 CE。
• 到了1990世纪XNUMX年代末，第一个嵌入式Linux系统出现。
• 140年嵌入式市场规模将达到2013亿美元。
• 分析师预测到 40 年嵌入式市场规模将超过 2030 亿美元。

嵌入式系统的特征

以下是嵌入式系统的重要特征：

• 需要实时性能
• 它应该具有高可用性和可靠性。
• 围绕实时操作系统开发
• 通常，有简单和无盘操作，ROM启动
• 专为一项特定任务而设计
• 必须与外围设备连接，连接输入输出设备。
• 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、功耗低
• 它不需要任何 二级记忆 在计算机中。

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，我们将介绍嵌入式系统中使用的一些重要术语。

可靠性

当功能在运行时处于关键状态时，此度量系统生存的概率。

容错

容错是计算机系统在出现故障的情况下生存的能力。

实时的

嵌入式系统必须满足各种时序和其他约束，它们是由外部世界的实时自然行为强加给它的。

例如，一个负责跟踪来袭导弹的空军部门必须精确计算和规划反击，因为有严格的实时截止期限。否则，它将被摧毁。

灵活性

它构建具有内置调试机会的系统，允许进行远程维护。

例如，您正在建造一艘航天器，它将降落在另一个行星上，以收集各种类型的数据并将收集到的详细信息发回给我们。如果这艘航天器失控并失去控制，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。

便携性

可移植性是衡量同一嵌入式软件在不同环境中使用难易程度的标准。它要求应用程序逻辑本身与低级系统接口之间具有通用的抽象。

什么是微控制器？

微控制器是一种单芯片 VLSI 单元，也称为微型计算机。它包含所需的所有内存和 I/O 接口，而通用微处理器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？

微处理器是一种单芯片半导体器件。其 CPU 包含程序计数器、ALU、堆栈指针、工作寄存器、时钟定时电路。它还包括 只读存储器和随机存取存储器、内存解码器以及许多串行和并行端口。

Archi嵌入式系统结构

以下是嵌入式系统的基本架构：

1) 传感器

传感器可帮助您测量物理量并将其转换为电信号。它还将测量量存储到内存中。观察者或任何电子仪器（例如 A2D 转换器）都可以准备该信号。

2）AD转换器

AD 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存储单元：1）易失性存储器 2）非易失性存储器。

4）处理器和 ASIC

该组件处理数据以测量输出并将其存储到内存中。

5）DA转换器

DA 转换器（数模转换器）可帮助您将处理器输入的数字数据转换为模拟数据。

6) 执行器

执行器允许您将 DA 转换器给出的输出与存储在其中的实际输出进行比较，并将批准的输出存储在内存中。

嵌入式系统的类型

嵌入式系统有三种类型：

• Small Scale
• 中等规模
• 复杂的

小型嵌入式系统

该嵌入式系统可以采用单个 8 位或 16 位微控制器进行设计。它可以借助电池供电。对于开发小规模嵌入式系统，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

这些类型的嵌入式系统是使用 16 位或 32 位微控制器设计的。这些系统既有硬件复杂性，也有软件复杂性。C、 C++, Java、源代码工程工具等用于开发该类嵌入式系统。

复杂的嵌入式系统

这种嵌入式系统具有很多硬件和软件复杂性。您可能需要 IPS、ASIPS、PLA、配置处理器或可扩展处理器。要开发这种系统，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

了解之间的区别 微处理器和微控制器

微处理器	微控制器
它使用寄存器、ALU、定时和控制单元等功能块。	它使用微处理器的功能块，如 RAM、计时器、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。	微控制器提供多种位处理指令。
提供外部存储器和微处理器之间代码和数据的快速移动。	提供微控制器中代码和数据的快速移动。
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。
它允许您同时执行多任务。	它是一个面向单任务的系统。
在微处理器系统中，您可以决定所需的内存或 I/O 端口的数量。	在微控制器系统中，固定数量的内存或 I/O 使得微控制器成为完成特定任务的理想选择。
提供对外部存储器和 I/O 端口的支持，这使得系统更重且更昂贵。	与微处理器相比，这种类型的系统重量轻且价格便宜。
外部设备需要更多空间，并且其功耗也相当高。	这种类型的系统占用的空间较少，并且功耗也很低。

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
• 无人机电调
• 水下航行器
• 工业机器人

医疗行业

• 透析机
• 输液泵
• 心脏监护仪
• 假肢装置

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
• Digi报警
• 冷气机
• DVD 视频播放器
• 相机

汽车

• 燃油喷射
• 照明系统
• 门锁
• 安全气囊
• Windows
• 停车辅助系统
• 防盗报警器 Whippers Motion

工业控制

• 机器人
• 控制系统
• 导弹
• 核反应堆
• 空间站
• 航天飞机

嵌入式系统的优势

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
• Less 可能再次犯错
• 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
• 嵌入式系统有利于大规模生产。
• 嵌入式系统可靠性高。
• 它的互连很少。
• 嵌入式系统体积小。
• 其运行速度很快。
• 提供更高的产品质量。
• 它优化了系统资源的使用。
• 其操作功率较低。

嵌入式系统的缺点

以下是使用嵌入式系统的重要缺点/缺点。

• 开发嵌入式系统需要付出很大的开发努力。
• 它需要很长时间才能上市。
• 嵌入式系统执行非常具体的任务，因此无法对其进行编程来执行不同的事情。
• 嵌入式系统提供的内存资源非常有限。
• 它没有提供任何技术改进。
• 嵌入式文件的备份很困难。

总结

• 系统是其所有组件按照特定定义的规则运行的安排。
• 嵌入式系统定义：嵌入式系统是指功能固定或可编程的计算机软件和硬件的组合。
• 嵌入式系统的例子是管理打印各个方面的激光打印机。
• 1960年，麻省理工学院的Charles Stark Draper首次将嵌入式系统用于开发阿波罗制导系统。
• 嵌入式系统需要实时性能
• 运行时功能至关重要时系统生存概率的可靠性度量。
• 容错是计算机系统在出现故障的情况下生存的能力。
• 嵌入式系统必须满足各种时序和其他约束。
• 灵活性是构建具有内置调试机会的系统，允许进行远程维护。
• 可移植性是衡量在不同环境中使用同一嵌入式软件的难易程度的标准。
• 微控制器是一种单芯片 VLSI 单元，也称为微型计算机。
• 微处理器是一种单芯片半导体器件。其CPU包含一个程序计数器、一个ALU、一个堆栈指针、一个工作寄存器、一个时钟定时电路。
• Archi嵌入式系统的结构包括：传感器、AD转换器、存储器、处理器和ASIC、DA转换器和执行器。
• 嵌入式系统有三种类型：1）小型，2）中型，3）复杂。
• 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需要较长的时间才能上市。