什么是嵌入式系统?

嵌入式系统(Embedded Systems)是指:“嵌入到对象体系中的、用于执行独立功能的专用计算机系统”。定义为以应用为中心,以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础,强调硬件软件的协同性与整合性,软件硬件可剪裁的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有等严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统的嵌入式本质就是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。

从广义上讲,凡是带有微处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统,如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但他们的软件的能力有限。

复杂的嵌入式系统采用嵌入式微处理器,具有自己的操作系统,具有特定功能,用于特定的场合。

嵌入式系统的历史与发展

1.始于微型机时代的嵌入式系统

(1)单片机开创了嵌入式系统独立发展之路

(2)单片机的技术发展史

单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM(Smart Controller Module )、MCU、SoC三大阶段。

2.现代计算机技术的两大分支

  • 通用计算机系统
  • 嵌入式计算机系统

嵌入式系统的分类

根据不同的标准,嵌入式系统有不同的分类方法。

(1)嵌入式系统按形态可分为

  • 设备级(工控机)
  • 板级(单板、模块)
  • 芯片级(MCU — Micro Control Unit 、SoC — System onChip )

因此,有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统,但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统,因此,只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统,并作为嵌入式应用时,这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。

(2)按嵌入式微处理器的位数分类

  • 4位
  • 8位
  • 16位
  • 32位
  • 64位…….

其中,4位、8位、16位嵌入式系统已经获得了大量应用,32位嵌入式系统正成为主流发展趋势。而一些高度负责和要求高速处理的嵌入式系统已经开始使用64位嵌入式微处理器。

(3)按软件实时性需求分类

  • 非实时系统(如PDA)
  • 软实时系统(如消费类产品)
  • 硬实时系统(如工业实时控制系统)

实时系统是一个能够在指定时间内完成系统功能并对外部或内部事件做出响应的系统;

实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正确性还取决于输出结果的时间。

实时系统分类

  • 强实时系统, 其系统响应时间在毫秒或微秒级。
  • 一般实时系统, 其系统响应时间在几秒的数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一些。
  • 弱实时系统, 其系统响应时间约为数十秒或更长。这种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化。

根据实时时间的确定性的强弱,可将嵌入式系统分为硬实时、软实时系统

  • 硬实时:系统对系统响应时间有严格的要求,如果系统响应时间不能满足,就要引起系统崩溃或致命的错误。(如工业现场控制)
  • 软实时:系统对系统响应时间有要求,但是如果系统响应时间不能满足,不会导致系统出现致命的错误或崩溃。(如多媒体应用系统)

实时系统的特性:

  • 实时性:系统产生的结果在时间上有严格的要求,只有符合时间要求产生的结果才是正确的;
  • 并行性:如果系统有多个输入时,要求系统具有并行处理能力,能同时响应多个输入信号。
  • 可预测性:结果产生时间和产生范围都是可预测的。
  • 可靠性:即系统的正确性和健壮性。
  • 专用性:不同应用的实时系统在结构设计上都是不同的。

(3)按嵌入式系统的复杂程度分类

  • 小型嵌入式系统
  • 中型嵌入式系统
  • 复杂嵌入式系统

嵌入式系统的特点

嵌入式系统特别强调“量身定做”的原则,开发人员往往需要针对某一种特殊用途开发出一个截然不同的嵌入式系统来,所以我们很难不经过“大量”修改而直接将一个嵌入式系统全套用到其他的嵌入式产品上去。

“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统的特点是由三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

  • 与“嵌入性”的相关特点:由于是嵌入到对象系统中,必须满足对象系统的环境要求,如物理环境(小型)、电气/环境(可靠)、成本(价廉)等要求。
  • 与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性;满足对象要求的最小软、硬件配置等。
  • 与“计算机系统”的相关特点:具有计算机的一般特点,有CPU、存储器、IO接口、通信接口、人机接口等各种硬件组件。计算机的具体功能由软件来实现。可以具有操作系统。

嵌入式系统的硬件组成如下:

嵌入式系统概述及特点_计算机系统

嵌入式处理器种类有1000多种,流行的体系结构有30多个系列,数据总线宽度从8位到32位,处理速度为0.1——2000MIPS(MIPS——每秒百万条指令)

与通用的计算机系统化相比,嵌入式系统具有以下显著特点。

  • 系统内核小
  • 专用性强
  • 运行环境差异大
  • 可靠性要求高
  • 系统精简和高实时性操作系统
  • 具有固化在非易失性存储器中的代码
  • 嵌入式系统开发工作和环境

参考文献:

孟祥莲.嵌入式系统原理及应用教程(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2017.