什么是嵌入式系统？嵌入式系统的优缺点及应用

嵌入式系统很普遍，但它们究竟是什么，它们在哪里使用？在本文，工程师将嵌入式系统与台式机或笔记本电脑进行比较，考虑它们的优缺点，并介绍一些应用程序和示例。

我们都熟悉英特尔奔腾系列等微处理器，因为它们为我们的日常电子设备提供动力：台式机和笔记本电脑、平板电脑和智能手机。然而，这些微处理器以及许多其他类型的微处理器也促进了另一种同样无处不在但不太明显的机器——嵌入式系统。

事实上，2017年销售的微处理器中只有53%是计算机CPU。32%用于平板电脑和智能手机，其余用于嵌入式处理（IC Insights）。

一、什么是嵌入式系统？

与可以随身携带并用于任何应用程序的笔记本电脑不同，嵌入式系统专为特定设备或机器而设计，并用于控制其操作。“设备或机器”可以是从智能手表到大型医学成像系统或机器人的任何东西，正如其名称所暗示的那样，嵌入式系统通常嵌入其中。

由于其控制功能，嵌入式系统必须能够监控传感器输入，如温度、电压或视频，对测量数据执行控制和可能的分析计算，并将输出设置为执行器，如显示器、灯、电机、或相应的阀门。因此，嵌入式系统必须有一组输入端口，这些端口在电气和物理上与它们所监控的传感器兼容。它们应该具有正确的范围和比例，并具有合适的精度和准确度。还应该内置对电气干扰造成的损坏或损坏的抵抗力。还必须提供具有足够功率来驱动执行器的输出，以及电源和控制电路之间的电气隔离。

嵌入式系统封装——容纳电子设备和电源的外壳，这也是一个重要的考虑因素，因为嵌入式系统经常安装在具有挑战性的环境条件的位置。例如，灰尘和其他物体、湿气甚至水的进入都可能是一种威胁。解决方案是将嵌入式系统构建到“IP（入口保护）等级”外壳中，其IP等级足以承受目标环境。IP等级由IEC60529定义。

温度管理是另一个关键因素，特别是因为嵌入式系统通常内置于狭小、受限的空间中，无法轻松排出热量——如果操作环境温度升高，这种情况可能会加剧。尽管可以设计主动冷却系统，但如果可能，更好的解决方案是使用无风扇运行的冷运行CPU。这节省了空间和冷却能源，还提高了可靠性，因为没有风扇故障。此外，消除通风使IP保护更容易。

固态硬盘驱动器和隔振安装套件的使用也可能是安装到易受冲击和振动的位置（例如火车或轮船）或进行爆破和钻孔作业的矿井中所必需的。

嵌入式系统的大小差异很大，这取决于它们必须控制的输入和输出的数量，以及所需控制功能的速度和复杂性。例如，智能手表控制器需要在单个小型印刷电路板上实现。然而，对于大型应用程序，更典型的方法是使用工业PC，因为它具有灵活性和可扩展性，并且在某种程度上，它使用了标准化的硬件和软件组件。

在架构上，嵌入式PC类似于其台式机，但由于上述环境原因，其硬件实现将大不相同。然而，另一个主要区别在于操作系统。像Windows10这样的桌面环境不太适合，因为它的设计目的不是提供处理实时事件的控制功能。相反，实时操作系统（RTOS）用于提供实时控制必不可少的功能。

首先，RTOS对其正在测量的事件提供快速且确定性的响应；“确定性”意味着“能够在有保证的时间范围内做出响应”。然后，RTOS必须能够在任务之间快速切换，以有效响应发生的多个可能随机事件。为了优化应用程序的实现，必须可以为任务分配优先级，以反映它们支持的进程的优先级。

RTOS还应表现出高度的安全性和可靠性。它们应该包括对看门狗定时器的支持，允许它们在软件锁定后自动复位。

二、嵌入式系统优缺点

与台式机或笔记本电脑相比，嵌入式系统既有优势也有劣势——尽管某些功能的优势或劣势在一定程度上取决于应用程序。

三、嵌入式系统的优势

它们可以通过专用于单个应用程序来降低成本。例如，可以排除高性能图形；有些系统可能根本没有图形用户界面。如果目标应用程序不需要高性能处理，其他系统可能具有有限性能和功率需求的处理器。此类系统的功率要求也较低，有些甚至可能依靠电池运行。嵌入式系统也可以非常紧凑且易于定位，特别是如果它们不需要围绕它们的大的自由空间外壳进行通风。

此外，嵌入式系统非常可靠，因为它们必须满足其应用程序的需求。它们可以在恶劣的环境和电气条件下存活，甚至可能被故意滥用，例如，在公共场所就很有用。

四、嵌入式系统的缺点

由于嵌入式系统往往被设计为仅处理一项特定任务，将它们重新分配给不同的应用程序可能很困难。可能很少或没有备用通信端口或扩展卡插槽。此外，他们的RTOS在支持广泛的软件应用程序方面不会像桌面Windows一样——即使它支持，处理它们的能力和内存也可能是有限的。

在比较性能相似的台式机和嵌入式系统时，嵌入式系统可能会更贵。这是因为嵌入式系统的生产量以及成本摊销的机会将会减少。嵌入式系统设计还倾向于使用更高质量和更昂贵的材料和组件，以提高耐用性和可靠性。

五、嵌入式系统应用

上面，我们已经提到嵌入式系统可以在各种规模的应用程序中找到，比如智能手表。其他小例子包括：

（1）GPS接收器；

（2）数码相机；

（3）游戏机；

（4）无线路由器；

（5）复印机。

在这种情况下，智能手机是有趣的设备。它们展示了嵌入式系统的许多特征——但它们也可以接受和运行用户指定的应用程序，使它们在这方面就像台式机一样！

类似的论点也适用于工业中广泛使用的可编程逻辑控制器（PLC）。它们通常基于工业PC架构，因此，尽管它们具有嵌入式系统特性，例如坚固的结构和RTOS，但它们也具有桌面PC类型的能力来接受不同的应用程序。其他更专业更大规模的应用程序包括：

（1）工业机器人手臂控制器；

（2）交通灯控制器；

（3）安全系统；

（4）航空航天应用；

（5）制造过程中使用的过程控制系统。