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  • 嵌入式计算机示例及应用
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    2021-03-19 10:22:55

    嵌入式计算机在日常设备,办公用品,汽车,工业,医疗和农业中无处不在。从计算器到电话,相机、电梯,交通信号灯,工厂控制器和核电站控制系统,几乎所有现代设备中都存在物理嵌入式系统。这些是什么?它们如何运作?嵌入式计算机有哪些应用程序?

    嵌入式计算机可以广义地定义为使用计算机硬件和软件执行特定功能的任何计算机,与现代台式计算机和服务器所进行的一般处理相反。这些嵌入式系统的专用特性使它们能够利用轻量级的软件或固件基础和板载ASICS的优势,以最大程度地降低功耗和硬件要求。

    现代处理器包含用于加密,数据和视频图形处理的众多集成加速器。

    大多数嵌入式计算机的几乎所有组件都放置在单个PCB或主板上。由于具有较少的可更换组件,例如RAM,CPU和存储,嵌入式板看起来与传统的消费型主板截然不同。通常嵌入式板上没有开槽的组件,大多数组件都焊接在了CPU上。

    在这里插入图片描述

    嵌入式计算机的定义特征可以分为四个方面:

    1、体积小:通常采用单个高密度PCB设计,以最大程度地提高空间效率

    2、较低功率的组件:具有较低TDP的高能效处理器,用于被动或最小冷却,以消除风扇和移动组件。

    3、最小的可升级性或扩展性:很少有插槽组件限制了其初始设计和功能之外的可升级性和扩展性。

    4、硬件成本低:放弃了用于焊接组件的扩展插槽,而SoC降低了总体成本和组件复杂性。针对这些嵌入式板的低成本批量生产进行了优化。

    嵌入式系统必须针对低功耗,代码复杂性,尺寸大小,重量和成本进行优化。许多人甚至缺乏专用的板载用户界面(鼠标,键盘和屏幕),这些用户界面主要是通过远程管理界面,安全外壳甚至直接固件更新来控制的。

    典型的嵌入式计算机主要由以下元素组成:

    **CPU和微控制器(一个或多个):**含有晶体管和算术处理单元(ALU的)的逻辑门在单个芯片内包装的-它们是嵌入式系统。处理器和控制器的脑中是负责执行主系统的操作和计算从各级缓存(L1,L2,L3)和系统内存(RAM)中获取数据。

    **CPU高速缓存(L1,L2,L3):**由于其针对极速的优化,占据了裸片的相当大一部分,它使用单级单元架构(SLC)来提高速度。这意味着每个单元都包含1位数据,这是由于此数据以及该高速存储器的高晶体管数所致。在CPU上,此高速缓存仅限于极少量,其中L1高速缓存最快,但仅限于00 KB,L2〜1024KB和L3〜2-16MB。此缓存的速度和与CPU的接近程度对处理器的性能至关重要。

    **系统 内存(RAM):**比缓存慢一个数量级,但比非易失性存储(如硬盘驱动器和固态NAND驱动器)快很多倍,并且更具弹性,系统内存用于存储正在运行的应用程序,以便快速访问和传输到处理器缓存。当应用程序四处移动数据并执行复杂的操作时,此内存每分钟写入数千次,因此不会遭受单元降级和有限的写入/擦除周期的影响。

    **非易失性存储:**硬盘,SSD,NAND和其他非易失性存储技术是系统中最慢但容量最大的存储。这里存储了较大的系统文件和数据文件,供系统正常使用。

    **CMOS-RAM:**该组件负责存储重要的系统配置和实时信息。由小型纽扣电池供电,可以关闭系统电源,而又不会失去其计时功能和系统唤醒功能。

    **I / O端口:**从以太网RJ45端口到3.5mm音频插孔的任何连接都属于此类别。它们使系统通常可以通过标准化接口(例如USB和HDMI)接受和处理外部输入。

    应用实例

    可以使用嵌入式计算机的例子很多,从小型的单用途设备如计算器到复杂的系统如汽车巡航控制。它们现在无处不在,是我们日常生活中不可避免的。诸如计算器、数码相机、汽车嵌入式系统(ABS中断,汽车警报器,发动机传感器系统)、自动售货机、电梯、影印机、印表机、全球定位系统、网络设备(交换机,调制解调器,路由器,接入点)、电子游戏机

    家用电器(交流电,微波炉,冰箱)。

    一些嵌入式系统被设计为在更极端的条件下运行,例如工业级系统就是这种情况,要求宽工作温度,电场隔离,抗振性等等。企业级系统要求关键任务服务具有计算能力,可靠性和冗余性。

    **机器视觉:**包括所有工业和非工业应用,其中功能强大的硬件和受过训练的软件的结合为基于图像感测数据的捕获和分析的设备执行功能提供了操作指导。

    **工厂自动化:**使用实时或近时计算技术来控制和监视工业过程,设备和机器。通常,任何重复功能都是自动化的理想选择,使系统通过定义明确的过程运行,以将人与人之间的互动减少到最低限度。

    **数字标牌:**使用通过LED面板,高分辨率显示器和投影仪之类的屏幕广播的数字内容。

    我们可以看出几乎生活中的所有电子产品都依赖于嵌入式系统。凭借可靠的嵌入式低成本设计,它们始终处于开启状态。大部分时间都隐藏在面板和光亮的外观后面,而肉眼却看不见,但它们为所有现代技术和互连的系统提供了动力。嵌入式智能设备的智能使用和进步将继续为我们的生活提高能力和效率。

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    谈到嵌入式技术,可能除计算机方面相关专业人士外很少有人能够涉足了解。其实应用到嵌入式技术的产品已经渗透到我们生活的方方面面。从人们的生活到工业化生产,从银行、医疗到航空航天领域,嵌入式系统无处不在,图1为嵌入式应用领域。

    嵌入,深深地固定,镶入的意思。而嵌入式系统,顾名思义就是一个嵌入在其他系统中的系统。IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。国内普遍认同的嵌入式系统定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

    个人跟喜欢这样的定义,除了个人电脑(PC)、工作站、大型超大型计算机,其他都可以归为嵌入式,电视,手机,路由器,柜员机(ATM),汽车导航,行车记录仪,打印机,MP3播放器、摇控器等,都是嵌入式范畴。

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    图1:嵌入式应用领域

    交通管理方面的应用有汽车导航,智能路灯,高清摄像头等;能源方面的应用有智能能电表,远程抄表系统,高压线路监测的无人机等;物流方面的应用有送货的无人机,仓库的运输机器人等;医疗健康方面的应用有电子血压计,电子温度计,电子秤等;嵌入式系统在家居应用实例有冰箱、空调、洗衣机、台灯、计算器、路由器、智能家居系统等。

    在网上有很多人提问“嵌入式和单片机(一种微型计算机)有什么区别”,有人说单片机与嵌入式不一样,不属于嵌入式,有人说单片机属于嵌入式。因为嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序组成,而单片机系统没有操作系统只有应用程序,所以单片机不属于嵌入式。在这里不纠结这个问题,我们可以这样理解,嵌入式系统是一个大类,单片机是其中一个重要的子类。下面说简单的图文说明一下嵌入式系统在家居应用实例

    1.单片机应用实例-感应灯

    如图2所示,一个普通的感应灯,人来即亮,人走即灭。在我们嵌入式开发人员眼里,感应灯主要由“单片机+人体感应模块+LED灯”组成而已,如图3所示,加一个外壳,基本是一个感应灯的小demo。

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    图2:感应灯(图片来源于网络如有侵权请私信删除)

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    图3:单片机+人体感应模块+LED灯(图片来源于网络如有侵权请私信删除)

    2.单片机应用实例-触控台灯

    如图4所示,一个普通的触控台灯,通过触控键控制灯的亮与灭。在我们嵌入式开发人员眼里,触控台灯主要由“单片机+按键触控模块+LED灯”组成而已,如图5所示,加一个外壳,基本是一个触控台灯的小demo。

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    图4:触控台灯( 图片来源于网络如有侵权请私信删除 )

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    图5:单片机+按键触控模块+LED灯(图片来源于网络如有侵权请私信删除)

    3.单片机应用实例-计算器

    如图6所示,一个普通的计算器。在我们嵌入式开发人员眼里,计算器主要由“单片机+按键+LCD显示屏”组成而已,如图7所示,加一个外壳,基本是一个触控台灯的小demo。

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    图6:计算器( 图片来源于网络如有侵权请私信删除 )

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    图7:单片机+按键+LCD显示屏( 图片来源于网络如有侵权请私信删除 )

    4.嵌入式系统-路由器

    如图8所示,一个普通的路由器。与前面三个例子不一样,路由器上面是有操作系统的,操作系统上面运行着应用程序,也就是说,由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序组成。路由器电路板正面,如图9所示。

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    图8: 路由器

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    图9: 路由器电路板正面

    由于时间关系,列举了部分的嵌入式的应用实例,其实还有很多没有说明, 这篇文章会不断的修改与增加内容,希望对想了解或学习嵌入式的人有帮助。

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    前言

            嵌入式系统?听到这个名词,没有接触的人是不是感觉很高大上?它真的有你心中想象的那样高级吗?关于嵌入式的基本概述,本篇博文将从以下几个方面阐述,部分内容可能不是很详细,感兴趣读者可以查阅相关资料。本篇为学习笔记,结合互联网资源,如有错误,恳请谅解斧正。

    目录

    前言

    一、什么是嵌入式系统?

    二、嵌入式系统有哪些组成?

    三、嵌入式系统特点及其分类

    四、嵌入式系统应用及举例

    (1)家庭智能管理系统

    (2)数码相机嵌入式系统


    一、什么是嵌入式系统?

            顾名思义,嵌入式,它是一种嵌入在设备或者系统内部的,它的存在是为了某种特定功能应用而设计开发的计算机系统(全称为嵌入式计算机系统Embedded computer system)。广泛上讲,凡是带有微处理器的专用硬软件系统,都可以称之为嵌入式系统。

            真正意义上的嵌入式系统最早追溯于上世纪七十年代,微处理器的出现,大规模集成电路和微型处理器技术进步。起初阶段的嵌入式系统,主要以4位到8位的单片机为核心的可编程控制系统,到现在的16位,32位核心系统。当前,嵌入式系统已经广泛应用于生活中的各个领域,我们可以认为它无处不在,手表,智能手机,蓝牙音箱等等,其前景也是不可估量的。

            更深层次的定义,嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性成本、体积、功耗等多种约束的专用计算机系统。可以简单理解微机系统与功能外设互联。嵌入式系统发展,正迅速地将传统的电子系统转变智能化的现代电子系统时代。

    二、嵌入式系统有哪些组成?

            总的来说,嵌入式系统由硬件和软件组成。

            首先,我们谈及硬件系统,与通用计算机一样,硬件的主体是中央处理器和存储器。

    (1)微处理器(CPU,中央处理器),整个系统的控制指挥中心,相当于大脑,CPU的内部构造大同小异,都离不开内部运算器,控制器,寄存器组。嵌入式系统的性能,很大程度上由CPU决定,主频,指令系统,高速缓冲存储器,逻辑结构,都会影响CPU的运行速度。

     (2)存储器,也就是记忆单元,系统获取的外部数据,以及内部的数据,指令等都需要一个载体来承载,存储器种类很多,EEPROM、DRAM、Flash ROM等。

    (3)输入输出接口和输入输出设备,接口很重要,系统的指令,数据,地址传输适配的接口的很重要,接口的稳定性,直接决定信息传输的准确性和实时性。有串行总线式接口(USB 3.0),异步串行接口(如RS-485)无线信号接口(WIFI接口)等。输入输出设备,如LCD,LED,打印机,光传感器,键盘,鼠标等无非区分为人机交互,机机交互。

    (4)总线,好比人体血管,三大总线,数据总线DB(Date Bus),地址总线AB(Address Bus),控制总线CB(Control Bus),用于微机系统内部信息传递,成为内部总线。

            其次,嵌入式系统少不了软件。

            嵌入式软件配置有多种情况,低端的嵌入式软件相对简单,只需配置监控程序,驱动程序,事件处理程序即可。而高端的嵌入式系统,其软件复杂,通常由板级支持包(BSP)、设备驱动程序还要考虑到实时操作系统,软件架构等。

            关于片上系统,及嵌入式芯片内容不作介绍了,读者可以自行查阅相关资料。

    三、嵌入式系统特点及其分类

            嵌入式系统主要包含以下六个共同特点:

    (1)专用性,与实际应用相结合,嵌入式系统为实现某种特定功能而产生,专用性强,因此效率也是很高滴;

    (2)隐蔽性,对于一个嵌入式系统,内部的嵌入,我们更多的只关注其实用性,很少在意其内部构造;

    (3)资源受限,嵌入式系统一般都是低成本,轻量化,低功耗,也因如此,嵌入式系统在近二十年间发展迅猛;

    (4)高可靠性,已经提到过,嵌入式系统的专用性很强,目标功能固定,程序固化,失误率低,稳定性强;

    (5)实时性,用户在发出指令后,嵌入式系统能实时做出相应的响应;

    (6)软件固化,嵌入式系统程序通常已经固化在内部的ROM(只读存储器)中,复位后,能及时重启响应,按指令程序步骤运行。

            当然,嵌入式系统还存在其他的特点,比如可剪裁性,这主要是指它所包含的外设。基础了解嵌入式系统的人可能会认为,这不就是各功能模块+处理器堆出来的吗?其实也并不如此。

    四、嵌入式系统应用及举例

            开篇提到过,嵌入式系统在我们日常生活中无处不在,它的存在感很强,同时,它涉及到的领域也非常广泛,商业,医疗,教育,军工,交通等等。嵌入式系统的研发能力及产业化水平,已经成为衡量一个国家经济发展,科技进步和国防实力的一个重要标志。以下通过两个实例介绍应用。

    (1)家庭智能管理系统

            提及一个嵌入式系统----家庭智能管理系统。想到这里,可能很多人联想到,小米智能家居,从进门到主卧室现,一系列的自动化服务系统。很多家庭可能已经配备了,它是一个现代化智能家庭环境监测控制的管理装置。我们剖析它,它由主控系统芯片,各式传感器如亮度传感器,二氧化碳传感器,烟雾传感器、温湿度传感器、雨水传感器等和反馈应用系统如通风机、灯管控制器、机械移动装置等,以及显示屏,语音助手等外设组成。它们之间正是通过许许多多的输入输出接口和输入输出设备进行互联,具有实时性等特点。

    (2)数码相机嵌入式系统

            另外举一个常见的嵌入式应用系统----数码相机。相机的迭代就不用说了,一些企业如佳能、索尼,他们的最新产品在现在已经很先进了,对焦点数可达45点甚至更高。数码相机是传统相机的换代产品,是嵌入式系统一个典型应用。前端由镜头、CCD图像传感器、驱动电路、取样控制器、A/D转换器等组成,前端获取到数字图像信号送入后端系统进行处理,后端以嵌入式DSP(数字信号处理器)作为CPU的SoC芯片为主。整个嵌入式通过内部总线和外围电路连接,共同完成数码相机的专用性功能。(图为数码相机的结构)

            在这里,我们根据其实用功能性,划分为以下四类(见表格)。

    产业类应用产品

    智能医疗器械,例如超声诊断仪,心脏起搏器,磁共振成像器,X光机;工业机械:数控机床,工业机械臂,机电一体化设备等

    业务类应用产品

    通信设备:路由器,服务器,导航仪;办公设备:纸张粉碎机,复印件,传真机,文字扫描仪;还有商场中随处可见的ATM机,智能服务终端,自主柜台,POS机等。

    消费类应用产品

    家用电器:冰箱,液晶电视,智能空调,微波炉,热水器;数码产品:智能手机,智能手环,蓝牙音箱,PSP游戏机,充电宝,遥控器等

    军用类应用产品

    无人机,雷达,火炮控制装置,热成像仪,定时炸弹,信号干扰器等

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    系列索引:《嵌入式系统原理与应用》 | 嵌入式系统 重点知识梳理


     

    目录

     

     

     

    嵌入式系统的定义及特点

    嵌入式系统的硬件组成部分包括那些

    嵌入式系统的分类:按有无操作系统及实时性分

    常见的嵌入式系统应用领域

    哈佛结构及冯诺依曼结构


     

    嵌入式系统的定义及特点

    1.嵌入式系统的定义

    从广义的角度:

      嵌入式系统是一切非PC和大型机的计算机系统

    IEEE定义:嵌入式系统是“控制监视、或者辅助设备、机器和车间运行的装置”

    嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统

    嵌入式系统运行需要高可靠性保障,比桌面系统的故障容忍能力弱很多

    嵌入式系统大都有功耗约束

    2.嵌入式系统的特点

    较长的生命周期

    不易垄断

     

    嵌入式系统的硬件组成部分包括那些

    嵌入式系统的运行基础,提供嵌入式软件运行的物理平台和通信接口

    嵌入式处理器

     

    片外总线:连接系统各个部件,进行互连和传输信息的信号线。

    电子盘:采用flash芯片存储数据,体积小、功耗低、抗震

     

     

     

    嵌入式系统的分类:按有无操作系统及实时性分

    软件(有无嵌入式操作系统)划分

    按实时性划分

     

    常见的嵌入式系统应用领域

     

    哈佛结构及冯诺依曼结构

    哈佛体系结构

    冯诺依曼体系结构

     

     

     

     

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