嵌入式系統是為特定功能而設計的計算機硬件和軟件的組合。嵌入式系統也可以在更大的系統中運行。該系統可以是可編程的或具有固定的功能。工業機械、消費電子產品、農業和加工業設備、汽車、醫療設備、相機、數字手表、家用電器、飛機、自動售貨機和玩具以及移動設備都是嵌入式系統的可能位置。

雖然嵌入式系統是計算系統，但它們的范圍可以從沒有用戶界面（UI）（例如，在設計用于執行單個任務的設備上）到復雜的圖形用戶界面（GUI）（例如在移動設備中）。 用戶界面可包括 按鈕、LED（發光二極管）和觸摸屏感應。一些系統也使用遠程用戶界面。

企業對企業 ( B2B ) 研究公司 MarketsandMarkets 預測，到 2025 年，嵌入式市場價值將達到 1162 億美元。嵌入式系統的芯片制造商包括許多知名科技公司，如蘋果、IBM、英特爾和德州儀器。預期增長的部分原因是對 人工智能（AI）、移動計算的持續投資以及對處理芯片的需求。

嵌入式系統示例

嵌入式系統廣泛應用于各行各業的各種技術中。一些例子包括：

- 汽車。現代汽車通常由許多計算機（有時多達 100 臺）或嵌入式系統組成，旨在執行車內的不同任務。其中一些系統執行基本的實用功能，而其他系統則提供娛樂或面向用戶的功能。消費類車輛中的一些嵌入式系統包括巡航控制、倒車傳感器、懸架控制、導航系統和安全氣囊系統。

- 手機。它們由許多嵌入式系統組成，包括 GUI 軟件和硬件、操作系統 (OS)、攝像頭、麥克風和 USB（通用串行總線）I/O（輸入/輸出）模塊。

- 工業機器。它們可以包含嵌入式系統，例如傳感器，也可以本身就是嵌入式系統。工業機器通常具有執行特定監視和控制功能的嵌入式自動化系統。

- 醫用器材。這些可能包含傳感器和控制機制等嵌入式系統。工業機器等醫療設備也必須非常人性化，這樣人類健康才不會因可預防的機器錯誤而受到危害。這意味著它們通常會包含為適當的 UI 設計的更復雜的操作系統和 GUI。

嵌入式系統如何工作？

嵌入式系統始終作為完整設備的一部分運行——這就是術語“嵌入式”的含義。它們是嵌入其他機械或電氣系統的低成本、低功耗的小型計算機。一般來說，它們包括處理器、電源、存儲器和通信端口。嵌入式系統使用通信端口通過通信協議在處理器和外圍設備（通常是其他嵌入式系統）之間傳輸數據。處理器借助存儲在存儲器中的最少軟件來解釋這些數據。軟件通常針對嵌入式系統所服務的功能高度特定。

處理器可以是微處理器或微控制器。微控制器只是帶有外圍接口和集成存儲器的微處理器。微處理器對存儲器和外圍設備使用單獨的集成電路，而不是將它們包含在芯片上。兩者都可以使用，但微處理器通常需要比微控制器更多的支持電路，因為微處理器中集成的電路較少。經常使用術語“片上系統”( SoC ) 。SoC 在單個芯片上包含多個處理器和接口。它們通常用于大容量嵌入式系統。一些示例 SoC 類型包括專用集成電路 ( ASIC ) 和現場可編程門陣列 (FPGA)。

通常，嵌入式系統用于實時操作環境，并使用實時操作系統 (RTOS)與硬件進行通信。近實時方法適用于更別的芯片功能，由設計人員定義，他們越來越認為系統通常足夠快，并且任務可以容忍反應的輕微變化。在這些情況下，通常部署Linux操作系統的精簡版本，盡管其他操作系統已被削減以在嵌入式系統上運行，包括嵌入式 Java和 Windows IoT（以前稱為 Windows Embedded）。

嵌入式系統的結構

嵌入式系統的復雜性各不相同，但通常由三個主要元素組成：

- 硬件。嵌入式系統的硬件基于微處理器和微控制器。微處理器與微控制器非常相似，通常指與其他基本計算組件（例如存儲芯片和數字信號處理器 ( DSP )）集成的 CPU（中央處理單元）。微控制器將這些組件內置到一個芯片中。

- 軟件和固件。嵌入式系統軟件的復雜性各不相同。然而，工業級微控制器和嵌入式物聯網系統通常運行非常簡單的軟件，需要很少的內存。

- 實時操作系統。這些并不總是包含在嵌入式系統中，尤其是小型系統。RTOS 通過在程序執行期間監控軟件和設置規則來定義系統的工作方式。

在硬件方面，基本的嵌入式系統將由以下元素組成：

- 傳感器將物理傳感數據轉換為電信號。

- 模數 (AD) 轉換器將模擬電信號轉換為數字信號。

- 處理器處理數字信號并將其存儲在內存中。

- 數模 (DA) 轉換器將處理器中的數字數據轉換為模擬數據。

- 執行器將實際輸出與內存存儲的輸出進行比較，并選擇正確的輸出。

傳感器讀取外部輸入，轉換器使該輸入可供處理器讀取，處理器將該信息轉換為嵌入式系統有用的輸出。

嵌入式系統的類型

有幾種基本的嵌入式系統類型，它們的功能要求各不相同。他們是：

- 移動嵌入式系統是設計為便攜式的小型系統。數碼相機就是一個例子。

- 網絡嵌入式系統連接到網絡以為其他系統提供輸出。示例包括家庭安全系統和銷售點 (POS) 系統。

- 獨立的嵌入式系統不依賴于主機系統。與任何嵌入式系統一樣，它們執行專門的任務。然而，與其他嵌入式系統不同，它們不一定屬于主機系統。計算器或MP3播放器就是一個例子。

- 實時嵌入式系統在定義的時間間隔內提供所需的輸出。它們經常用于醫療、工業和軍事部門，因為它們負責時間緊迫的任務。交通控制系統就是一個例子。

嵌入式系統還可以根據其性能要求進行分類：

- 小型嵌入式系統通常使用不超過 8 位的微控制器。

- 中型嵌入式系統使用較大的微控制器（16-32 位），并且通常將微控制器連接在一起。

- 復雜規模的嵌入式系統通常使用多種算法，這些算法導致軟件和硬件復雜性，并且可能需要更復雜的軟件、可配置處理器和/或可編程邏輯陣列。

有幾種常見的嵌入式系統軟件架構，隨著嵌入式系統的發展和規模變得更加復雜，這些架構變得必要。這些包括：

- 簡單的控制循環調用子例程，子例程管理硬件或嵌入式編程的特定部分。

- 中斷控制系統有兩個環路：主環路和輔助環路。循環中的中斷會觸發任務。

- 協作多任務處理本質上是位于應用程序編程接口 (API) 中的簡單控制循環。

- 搶占式多任務或多線程通常與 RTOS 一起使用，并具有同步和任務切換策略。

超大規模集成（VLSI）是描述集成電路（IC）復雜性的術語。VLSI是將數十萬個晶體管嵌入到芯片中的過程，而LSI（大規模集成）微芯片包含數千個晶體管，MSI（中規模集成）包含數百個晶體管，SSI（小規模集成）包含數十個晶體管。ULSI，即超大規模集成，是指在一個芯片上放置數百萬個晶體管。

VLSI 電路是嵌入式系統的共同特征。嵌入式系統中的許多 IC 都是 VLSI，而 VLSI 縮寫詞的使用在很大程度上已經不再受歡迎。

調試嵌入式系統

嵌入式系統與其他大型計算機的操作系統和開發環境不同的一個領域是調試領域。通常，使用桌面計算機環境的開發人員擁有的系統既可以運行正在開發的代碼，也可以運行單獨的調試器應用程序來監視嵌入式系統程序員通常不能。

一些編程語言在微控制器上運行的效率足夠高，可以直接在芯片上進行基本的交互式調試。此外，處理器通常具有可通過 JTAG 或類似調試端口進行控制的 CPU 調試器，從而控制程序執行。

然而，在許多情況下，程序員需要通過串行或其他端口將單獨的調試系統連接到目標系統的工具。在這種情況下，程序員可以在通用計算機的屏幕上看到源代碼，就像在臺式計算機上調試軟件的情況一樣。另一種常用的方法是在 PC 上運行軟件，以軟件方式模擬物理芯片。這本質上使得調試軟件的性能成為可能，就像它在實際的物理芯片上運行一樣。

從廣義上講，嵌入式系統越來越受到測試和調試的關注，因為大量使用嵌入式控制的設備是為使用而設計的，特別是在安全性和可靠性是首要考慮的情況下。

在嵌入式系統調試的領域中，為了確保設備的安全性和可靠性，選擇適合的工具和解決方案至關重要。作為一家專注于嵌入式技術領域的公司，杭州東田科技有限公司引領著嵌入式系統的發展。