嵌入式系统教程

嵌入式系统是一种专门设计的计算系统，它将微处理器、存储设备、输入输出设备和专用软件组合在一个单元中。嵌入式系统旨在在一个大型电子或机械系统中执行专用功能。它被称为嵌入式系统，因为它被集成（或嵌入）为复杂系统或设备的一部分。

嵌入式系统广泛应用于各种应用中，从便携式设备（如智能手表、计算器、智能手机等）到大型电气或机械设备（如家用电器、机器人、自动化系统、车辆、航天器等）。

本嵌入式系统教程旨在解释嵌入式系统的基本概念，面向初学者和专业人士。

什么是嵌入式系统？

嵌入式系统可以定义为一种为专门功能设计的数 据处理工具。它基本上是硬件和软件的组合，用于执行特定功能。在大多数情况下，嵌入式系统集成到大型系统中以执行专用功能。

根据架构的不同，嵌入式系统可以具有固定功能或可编程功能。如今，嵌入式系统已广泛应用于各种应用中，例如消费电子产品、汽车、工业机械、医疗设备等等。

嵌入式系统的组成部分

一个典型的嵌入式系统包含以下三个主要部分：

• 硬件- 这些是嵌入式系统的物理组件，负责根据指令执行操作。嵌入式系统的硬件组件包括微处理器、存储芯片、信号转换器和输入输出外设。
• 软件- 这些是为定义嵌入式系统功能而设计的程序集。不同的嵌入式系统需要不同的软件，其功能和复杂性可能会有所不同。
• 操作系统- 此组件负责通过执行软件来定义嵌入式系统的工作方式。通常，嵌入式系统使用 RTOS（实时操作系统）。

嵌入式系统的框图

典型嵌入式系统的框图如下所示：

其不同组件的功能解释如下：

• 传感器- 传感器充当嵌入式系统中的输入组件，它们将感测到的物理数据转换为电信号。
• ADC- ADC 代表模数转换器。它将来自传感器的模拟信号转换为数字信号。
• 处理器- 这是嵌入式系统的中央处理单元。它根据指令处理输入信号以产生结果。
• 存储器- 在嵌入式系统中，提供存储芯片来存储软件和输入输出数据。
• DAC- DAC 代表数模转换器。此组件负责将处理器的数字输出转换为模拟信号。
• 执行器- 这些是嵌入式系统的执行组件。它们将处理器的电信号输出转换为机械运动或动作。

嵌入式系统如何工作？

嵌入式系统是一种小型、低功耗、低成本的计算机，设计用于作为大型机器或系统的一部分。因此，它的工作方式与普通计算机相同。

此处解释了嵌入式系统的逐步工作原理：

步骤 1- 通过传感器读取外部输入。

步骤 2- 将这些传感器输入转换为处理器可读格式。

步骤 3- 处理器执行指令并将输入转换为有用的输出。

步骤 4- 将处理器的输出转换为执行器可读格式。

步骤 5- 执行器读取输出并执行操作。

嵌入式系统的特点

以下是嵌入式系统的一些关键特征：

• 嵌入式系统是特定于任务的，旨在执行专用任务。
• 嵌入式系统将硬件、软件和固件组合在一个单元中。
• 嵌入式系统可以集成到大型系统中以执行特定功能。
• 嵌入式系统通常使用实时操作系统。
• 这些系统不需要用户操作。
• 嵌入式系统旨在高效地运行在一定的时限内。

嵌入式系统的分类

嵌入式系统的分类可以根据其功能和性能进行，如下所示。

基于功能的嵌入式系统类型

根据其功能，嵌入式系统可以分为以下几类：

移动嵌入式系统

移动嵌入式系统体积小巧，便于携带。这些嵌入式系统通常用于智能手机、笔记本电脑、计算机、数码相机、智能手表等。

实时嵌入式系统

实时嵌入式系统旨在在确定的时间间隔内产生输出。这些系统执行时间关键型功能，广泛应用于医疗系统、工业自动化、交通控制系统等。

联网嵌入式系统

联网嵌入式系统设计用于网络连接系统，例如安全系统、销售点系统、远程监控系统等。

独立嵌入式系统

独立嵌入式系统设计为独立运行，无需主机系统或计算机。此类嵌入式系统的示例包括电子手表、MP3 播放器、计算器等。

基于性能要求的嵌入式系统类型

根据其性能要求，嵌入式系统可以分为以下几类：

小型嵌入式系统

小型嵌入式系统使用 8 位或更小的微处理器或微控制器设计。它们在内存和处理能力方面受到限制。但是，这些系统具有成本效益，用于交通控制器、玩具、智能电视遥控器、智能卡等。

中型嵌入式系统

中型嵌入式系统使用 16 位或 32 位微处理器或控制器。这些系统比小型系统相对更复杂且速度更快。它们通常用于智能家用电器、医疗设备和自动化系统。

复杂型嵌入式系统

复杂型嵌入式系统也称为复杂嵌入式系统。它们使用 64 位或更大的微处理器或控制器设计。这些系统在内存和处理能力方面功能强大。但是，这些系统非常复杂且价格昂贵。这些嵌入式系统的常见应用包括高级医疗设备、机器人技术、安全关键系统等。

嵌入式系统的现代趋势

嵌入式系统现已成为所有数字智能设备不可或缺的一部分，从简单的电子手表到复杂的机器人系统。

以下几点突出了嵌入式系统在现代世界的贡献：

• 嵌入式系统使实时数据处理更加先进和快速。这是无人机和其他航空系统等复杂系统的重要需求。
• 嵌入式系统是物联网设备（如可穿戴设备、智能家电等）的核心。
• 嵌入式系统正在被赋予人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 等现代技术。这些技术为嵌入式系统提供了自主决策能力。
• 嵌入式系统还配备了边缘计算，通过靠近数据源处理数据来减少延迟和带宽。这项技术在实时应用中非常重要。
• 嵌入式系统正在提供 4G、5G 等先进的网络技术，以实现更高效的数据通信。
• 嵌入式系统还正在与量子计算集成，以解决复杂问题、优化数据处理、增强安全性等。
• 嵌入式系统正在实现更精确的 3D 打印，并通过实时监控改进打印过程。

嵌入式系统的应用

嵌入式系统是所有智能设备或系统的关键组件。此处列出了嵌入式系统在各个领域的常见应用：

• 汽车- 在现代汽车和车辆中，嵌入式系统用于执行各种功能，例如安全、导航、信息娱乐、巡航控制、发动机健康监控等等。
• 智能手机- 在典型的智能手机中，使用了大量的嵌入式系统。这些系统负责执行不同的功能，从触摸屏感应到信号传输、相机控制、语音录音、检测外围设备和调试。
• 工业- 嵌入式系统是工业中机器人和自动化系统的基本组成部分。它们用于处理连接到工业机械的传感器的数 据，并为其平稳运行生成操作指令。
• 医疗设备- 心脏监护仪、呼吸机等先进医疗设备的功能取决于嵌入式系统。在这些设备中，嵌入式系统自动化其操作并收集来自传感器的数 据并将它们转换为有意义的结果，帮助医务人员避免错误并准确地解释患者的病情。
• 可穿戴设备- 嵌入式系统也用于智能手表、健身腕带等可穿戴设备。这些系统完全负责将这些设备与其他物联网设备（如互联网和智能手机）连接起来。

嵌入式系统术语

本节简要定义了一些与嵌入式系统相关的非常重要的术语。这些定义在本教程中将对读者非常有帮助。

1. 嵌入式处理器

专门设计用于嵌入式系统的微处理器称为嵌入式处理器。这些处理器旨在在处理能力、效率和实时操作方面提供卓越的性能。

2. 微控制器

微控制器，也称为微控制器单元 (MCU)，是实现单个集成电路芯片上的小型计算机。

典型的微控制器包含微型计算机的所有基本组件，例如微处理器、存储单元、I/O 外设和软件。8085 和 8086 是简单微控制器的常见示例。

3. 微处理器

在嵌入式系统中，微处理器是执行指令和处理数据的核心处理单元。它是一个具有数据处理电路的集成电路芯片。

4. 8051 微控制器

8051 微控制器是英特尔公司于 1980 年开发的一种单片微控制器，用于嵌入式系统。它也称为Intel MCS-51。

8051 是一款 8 位微控制器，因为它一次可以处理 8 位数据。它通常用于遥控器、机器人和电信应用等嵌入式系统中。

5. 片上系统 (SoC)

片上系统 (SoC) 是一种集成电路 (IC) 设计，它将电子设备或系统的所有主要组件（如处理器、内存、输入/输出外设等）集成到单个芯片上。它没有任何单独的组件安装在主板上。

6. 架构

嵌入式系统的基本结构和设计，定义了它如何处理指令和数据以及其组件如何通信，被称为嵌入式系统的架构。嵌入式系统常用的架构包括哈佛架构和冯诺依曼架构。

7. I/O 编程

在嵌入式系统 I/O 编程中，指的是嵌入式系统与外部设备（如传感器、显示器、电机等）之间交换数据和指令的过程。

8. 汇编语言

汇编语言是一种低级计算机编程语言。在这种编程语言中，指令使用与机器语言代码等效的缩写名称编写。汇编语言主要用于编写微处理器和微控制器的程序。

9. 寄存器

在嵌入式系统中，寄存器就是一个用于存储处理所需指令和数据的小型高速临时存储设备。

10. 寄存器组/堆栈

在嵌入式系统中，寄存器组是 RAM（随机存取存储器）的一部分，用于存储程序指令。而寄存器堆栈是 RAM 中的一部分，用于临时存储信息并使用堆栈指针寄存器访问这些信息。

11. 指令

指令是计算机或嵌入式系统的微处理器可以理解和执行的计算机代码。这些指令通常使用 0 和 1 的二进制语言编写。

12. 编址方式

指定指令的操作数或内存中数据位置的方法称为编址方式。因此，编址方式定义了解释和操作指令操作数的地址字段并在其实际执行之前进行处理的规则。在嵌入式系统中，立即寻址、直接寻址、间接寻址和索引寻址是一些常用的编址方式。

13. 特殊功能寄存器 (SFR)

特殊功能寄存器 (SFR)是嵌入式系统中监控和控制系统操作各个方面的寄存器。这些寄存器与某些特殊功能密切相关，并提供微处理器和外设之间的通信接口。

14. 定时器和计数器

定时器和计数器是嵌入式系统的两个重要功能。定时器用于在嵌入式系统中测量时间和创建时间延迟。而计数器用于计算系统外部发生的事件。

15. 中断

在嵌入式系统中断中，是微处理器产生的信号，用于停止当前正在执行的代码或程序。这些信号在嵌入式系统中对于实现实时响应非常重要。

16. 实时操作系统 (RTOS)

实时操作系统 (RTOS) 是专门为实时处理数据和事件而设计的操作系统。这些操作系统被编程为在给定的时间约束内完成任务或根据事件的需求完成任务。因此，它们也被称为事件驱动操作系统。RTOS 广泛用于嵌入式系统中，以根据实时事件执行任务。

学习嵌入式系统的先决条件

这是一个关于嵌入式系统的入门教程。掌握此处解释的概念的主要先决条件是对电子学、逻辑门、计算机硬件和基本计算机编程有基本的了解。

读者还应该具备汇编语言、C 或 C++ 编程的工作知识，因为大多数嵌入式系统都是使用这些语言编程的。

谁应该学习嵌入式系统？

本嵌入式系统教程是为电子工程专业的学生设计的，他们希望学习嵌入式系统和 8051 微控制器的基础到高级概念。

由于本教程涵盖了与嵌入式系统相关的所有重要概念，因此大学生可以使用它作为学习资源，专业人士可以使用它作为参考。

嵌入式系统的常见问题

在本节中，我们收集了一些关于嵌入式系统的最常见问题 (FAQ)及其答案。

“嵌入式”是什么意思？

在计算技术领域，“嵌入式”一词定义为将计算机系统设计和实现为大型系统或设备的集成部分。

嵌入式系统的示例有哪些？

一些常见的嵌入式系统示例包括：

• MP3 播放器
• 遥控器
• 智能手表
• 健身追踪器和手环
• 车辆中的信息娱乐和发动机监控系统
• 家庭自动化系统等。

在电子与通信工程 (ECE) 中，什么是嵌入式系统？

在电子与通信工程 (ECE) 中，嵌入式系统可以定义为能够执行特定功能并作为大型电子系统一部分的计算设备。

在物联网 (IoT) 中，什么是嵌入式系统？

在物联网 (IoT) 中，嵌入式系统是一个小型计算机，它集成到另一个计算设备中以执行特定功能并与其他物联网设备通信。

嵌入式系统的用途是什么？

嵌入式系统用于在各个领域执行不同的功能。例如：

• 在工业中，它们用于监控流程和控制机械。
• 在通信系统中，它们用于管理协议、加密、解密、信令、路由等。
• 在汽车中，嵌入式系统用于信息娱乐、发动机管理、导航和控制安全系统。

电视机是嵌入式系统吗？

不是，电视机不是嵌入式系统，而是各种嵌入式系统的集合。在电视机中，嵌入式系统用于处理视频信号、控制音量、调谐接收信号等等。

PCB 是嵌入式系统吗？

不是，PCB（印刷电路板）不是嵌入式系统。相反，它是嵌入式系统的一个组件，用于将嵌入式系统的其他硬件组件连接在一起。

三种嵌入式设备是什么？

三种最常见的嵌入式设备是：智能手机、智能手表和智能电视。

Arduino 是嵌入式系统吗？

是的，Arduino 是一个嵌入式系统。它由一个微处理器、一个内存芯片和连接在一个单板上输入/输出外设组成。

为什么嵌入式系统有用？

嵌入式系统可以设计用于专用功能。它们在功能方面可靠。它们功耗低，并且可以根据事件执行功能。

嵌入式系统的优点是什么？

嵌入式系统的一些主要优点包括：

• 嵌入式系统在功能方面高度可定制。
• 它们的设计是为了优化性能。
• 嵌入式系统体积小巧，经济高效。
• 嵌入式系统运行所需功率非常低。

什么是实时嵌入式系统？

实时嵌入式系统是一种由 RTOS（实时操作系统）驱动的嵌入式系统。这些系统能够在指定的时间约束内执行操作。

实时嵌入式系统的示例包括巡航控制、自动驾驶仪飞行控制、汽车中的自动驾驶系统等。