基本介紹
- 中文名：嵌入式計算機
- 外文名：Embedded Computer
- 性質：嵌入式系統的概念
- 方法：以套用為中心
- 基礎：計算機技術
簡介,分層情況,系統詳解,設計過程,套用領域,未來影響,
簡介
主要從三個方面上來理解嵌入式系統的概念
1、從硬體上。將基於CPU的外圍器件，整合到CPU晶片內部，比如早期基於X86體系結構下的計算機，CPU只是有運算器和累加器的功能，一切晶片要靠外部橋路來擴展實現，象串口之類的都是靠外部的 16C550/2的串口控制器晶片實現，而目前的這種串口控制器晶片早已集成到CPU內部，還有PC機有顯示卡，而多數嵌入式處理器都帶有LCD控制器，但其種意義上就相當於顯示卡。比較高端的ARM類Intel Xscale架構下的IXP網路處理器CPU內部集成PCI控制器（可配成支持4個PCI從設備或配成自身為CPI從設備）；還集成3個NPE網路處理器引擎，其中兩個對應於兩個MAC地址，可用於網關交換用，而另外一個NPE網路處理器引擎支持DSL，只要外面再加個PHY晶片即可以實現DSL上網功能。IXP系列最高主頻可以達到1.8G，支持2G記憶體，1G×10或10G×1的乙太網口或Febre channel的光通道。IXP系列應該是目標基於ARM體系統結構下由intel進行整合後成Xscale核心的最高的處理器了。
2、從軟體上講，就是在定製作業系統核心里將套用一併選入，編譯後將核心下載到ROM中。而在定製作業系統核心時所選擇的應用程式組件就是完成了軟體的“嵌入”，比如WinCE在核心定製時，會有相應選擇，其中就是Wordpad,PDF,MediaPlay等等選擇，如果我們選擇了，在CE啟動後，就可以在界面中找到這些東西，如果是以前PC上將的windows作業系統，多半的東西都需要我們得新再裝。
以上的定義是我在6、7年前給嵌入式系統下自話側重於理解型的定義，書上的定義也有很多，但在這個領域範圍內，誰都不敢說自己的定義是十分確切的，包括那些專家學者們，歷為畢竟嵌入式系統是計算機範疇下的一門綜合性學科。
分層情況
嵌入式系統分為4層，硬體層、驅動層、作業系統層和套用層。
1、硬體層，是整個嵌入式系統的根本，如果現在單片機及接口這塊很熟悉，並且能用C和彙編語言來編程的話，從嵌入式系統的硬體層走起來相對容易，硬體層也是驅動層的基礎，一個優秀的驅動工程師是要能夠看懂硬體的電路圖和自行完成CPLD的邏輯設計的，同時還要對作業系統核心及其調度性相當的熟悉的。但硬體平台是基礎，增值還要靠軟體。
硬體層比較適合於，電子、通信、自動化、機電一體、信息工程類專業的人來搞，需要掌握的專業基礎知識有，單片機原理及接口技術、微機原理及接口技術、C語言。
3、作業系統層，對於作業系統層目前可能只能說是簡單的移植，而很少有人來自已寫作業系統，或者寫出缺胳膊少腿的作業系統來，這部分工作大都由驅動工程師來完成。作業系統是負責系統任務的調試、磁碟和檔案的管理，而嵌入式系統的實時性十分重要。據說，XP作業系統是微軟投入300人用兩年時間才搞定的，總時工時是600人年，中科院軟體所自己的女媧Hopen作業系統估計也得花遇幾百人年才能搞定。因此這部分工作相對來講沒有太大意義。
4、套用層，相對來講較為容易的，如果會在windows下如何進行編程接口函式調用，到作業系統下只是編譯和開發環境有相應的變化而已。如果涉及Jave方面的編程也是如此的。嵌入式系統中涉及算法的由專業算法的人來處理的，不必歸結到嵌入式系統範疇內。但如果涉及嵌入式系統下面嵌入式資料庫、基於嵌入式系統的網路編程和基於某此套用層面的協定套用開發（比如基於SIP、H.323、Astrisk）方面又較為複雜，並且有難度了。
系統詳解
一、什麼是嵌入式系統
嵌入式系統一般指非 pc 系統，有計算機功能但又不稱之為計算機的設備或器材。它是以套用為中心，軟硬體可裁減的，適應套用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。簡單地說，嵌入式系統集系統的套用軟體與硬體於一體，類似於 pc 中 bios 的工作方式，具有軟體代碼小、高度自動化、回響速度快等特點，特別適合於要求實時和多任務的體系。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬體、嵌入式作業系統及套用軟體系統等組成，它是可獨立工作的“器件”。
嵌入式系統幾乎包括了生活中的所有電器設備，如掌上 pda 、計算器、電子表、電話機、收音機、錄音機、影碟機、手機、電話手錶、平板電腦、電視機頂盒、路由器、數位電視、多媒體播放設備、汽車、火車、捷運、飛機、微波爐、烤箱、照相機、攝像機、讀卡器、POS機、洗衣機、熱水器、電磁爐、家庭自動化系統、電梯、空調、安全系統、導航系統、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設備、工業自動化儀表、醫療儀器、互動遊戲機、VR、機器人、視頻學習機、點讀機、等。
嵌入式系統的硬體部分，包括微處理器、存儲器及外設器件和 i/o 連線埠、圖形控制器等。嵌入式系統有別於一般的計算機處理系統，它不具備像硬碟那樣大容量的存儲介質，而大多使用 eprom 、 eeprom 或快閃記憶體 (flash memory) 作為存儲介質。軟體部分包括作業系統軟體 ( 要求實時和多任務操作 ) 和應用程式編程。應用程式控制著系統的運作和行為；而作業系統控制著應用程式編程與硬體的互動作用。
二、什麼是嵌入式微處理器
嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備 4 個特點： (1) 對實時和多任務有很強的支持能力，能完成多任務並且有較短的中斷回響時間，從而使內部的代碼和實時作業系統的執行時間減少到最低限度； (2) 具有功能很強的存儲區保護功能，這是由於嵌入式系統的軟體結構已模組化，而為了避免在軟體模組之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利於軟體診斷； (3) 可擴展的處理器結構，以能迅速地擴展出滿足套用的高性能的嵌入式微處理器； (4) 嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用於攜帶型的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，功耗只能為 mw 甚至μ w 級。
三、什麼是嵌入式作業系統
嵌入式作業系統是一種支持嵌入式系統套用的作業系統軟體，它是嵌入式系統 ( 包括硬、軟體系統) 極為重要的組成部分，通常包括與硬體相關的底層驅動軟體、系統核心、設備驅動接口、通信協定、圖形界面、標準化瀏覽器等 Browser 。嵌入式作業系統具有通用作業系統的基本特點，如能夠有效管理越來越複雜的系統資源；能夠把硬體虛擬化，使得開發人員從繁忙的驅動程式移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函式、驅動程式、工具集以及應用程式 。與通用作業系統相比較，嵌入式作業系統在系統實時高效性、硬體的相關依賴性、軟體固態化以及套用的專用性等方面具有較為突出的特點。
設計過程
1.需求分析
確定設計任務和目標，並制定說明規格文檔，作為下一步設計的指導和驗收標準。需求分析往往要與用戶反覆交流，以明確係統功能需求，性能需求，環境、可靠性、成本、功耗、資源等需求。
2.體系結構設計
3. 硬體的設計、製作及測試
在這一階段要確定硬體部分的各功能模組及模組之間的關聯，並在此基礎上完成元器件的選擇、原理圖繪製、印刷電路板（PCB）設計、硬體的裝配與測試、目標硬體最終的確定和測試。
4. 軟體的設計、實現及測試
這部分工作與硬體開發並行、互動進行。軟體設計主要完成引導程式的編制、作業系統的移植、驅動程式的開發、套用軟體的編寫等工作。設計完成後，軟體開發進入實現階段。這一階段主要是嵌入式軟體的生成（編譯、連結），調試和固化運行，最後完成軟體的測試。
5.系統集成
將測試完成的軟體系統裝入製作好的硬體系統中，進行系統綜合測試，驗證系統功能是否能夠正確無誤地實現，最後將正確的軟體固化在目標硬體中。本階段的工作是整個開發過程中最複雜、最費時的，特別需要相應的輔助工具支持。
6. 系統性能測試及可靠性測試
測試最終完成的系統性能是否滿足設計任務書的各項性能指標和要求。若滿足，則可將正確無誤的軟體固化在目標硬體中；若不能滿足，在最壞的情況下，則需要回到設計的初始階段重新進行設計方案的制定。
套用領域
嵌入式工控機（Embedded Industrial Computer）是一種加固的增強型工業計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。嵌入式工控機通俗的說就是專門為工業現場而設計的機構緊湊的計算機。
嵌入式工控機可以靈活的套用在對溫度及使用空間等苛刻的環境中，包括車載、零售、監控、電子廣告牌、工廠控制等有低功耗系統需求的套用市場。
未來影響
1:嵌入式系統促使計算機的形態和性能更加小型化,多功能,低功耗.
2:嵌入式系統使計算機由以往的諾曼尼結構發展成為多處理器並行計算,大大提高運行效率及穩定性!
3:嵌入式系統已成為計算機技術的一個主要分支!
4:嵌入式系統的發展已成為當今計算機技術發展的一個重要標誌!
