嵌入式开发简述

Why Embedded

预见未来的最好方式就是亲手创造未来。

对待软件严肃认真的人，也应该创造自己的硬件。

——$\mathrm{Alan}\mathrm{Kay}(1940-)$

嵌入式系统的概念

嵌入式系统一般即指嵌入式计算机系统。后 $\mathrm{PC}$ 时代是一个互联网嵌入式的时代。

嵌入式系统是：已应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统的三要素：嵌入性（嵌入到对象体系中，有对象环境要求）、专用性（软、硬件按需裁减）和计算机（智能设备）。

嵌入式的核心愿景是：去除冗余，硬件和软件有机结合。

术语演化——几个预见

• 泛在计算：任何时间地点的计算
• 不可见计算机：集成在物件之中的计算机
• 普适计算：计算设备在日常生活中的渗透
• 环境智能：未来楼宇或家庭场景中的智能通信技术

CPS

信息物理系统（$\mathrm{Cyber}-\mathrm{Physical}\mathrm{System}$）是计算进程和物理进程的集成，更多强调物理模块的集合。

通信与嵌入式系统互联协同，提供普适、泛在的计算资源。

无线感知网络

许多在空间分布的自动装置构成的无线计算机网络，协作监控环境的物理情况。

起源于军用，后来渐渐民用化，常用于生态监测、健康监护和家具自动化等。

物联网

通过射频识别、红外感应器、$\mathrm{GPS}$​、激光扫描器等，进行信息交换和通信，来实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等。物联网是互联网的扩充，实现各个时间地点的人机物互通。

嵌入式开发的目标与定位

• 嵌入式软件开发
  • 产品增值
  • 产品越来越复杂
    • 绝大多数软件是嵌入的
    • 新型汽车、战斗机等场景应用广泛
  • $\mathrm{DIY}$
• 系统开发

嵌入式系统介绍

嵌入式系统的组成

嵌入式处理器、存储器和外部设备构成了系统的硬件基础。系统软件、应用支撑软件和应用软件构成了软件基础。

通用计算机和嵌入式系统的区别

• 嵌入式系统硬件结合相对紧密，而通用计算机则相对独立；
• 计算模型不同，通用计算机为冯诺依曼模型，而嵌入式系统则有许多模型；
• 嵌入式系统偏重特殊的优化目标，通用计算机更偏重平均性能；
• 嵌入式系统二次开发性较弱，但一般设计时应用已知。

嵌入式系统应用

嵌入式系统无处不在，例如，现已应用在：

• 运输和移动性：智能汽车（包括传统的汽车电子控制，还有新兴的智驾）、航电设备、铁路设备、海事设备等；
• 工厂自动化；
• 适居性：智能楼宇、智能家居、健康监测等；
• 电子产品：智能穿戴设备、新概念产品等；
• 军事、农业、畜牧业；
• 灾难恢复、公共安全等。

嵌入式系统的特征

形式多样、面向特定的应用：软硬件高效设计、可剪裁；多种类型的处理器和处理器体系结构；集成度高、功耗和体积较小。

高度制约的环境：环境通常较为恶劣、不友好；受到处理器容量和用户接口的限制。

与外部环境高度交互：无人干预下对外部环境交互；利用传感器来收集外部环境的数据，通过执行器来控制外部环境。

实时性要求：嵌入式系统多有实时性的要求，具有时间约束条件；实时嵌入式系统通常包括实时控制。例如：飞行器、医疗设备等都有强实时性的约束。

安全性和可靠性要求：某些嵌入式系统必须以安全至上并且具有高度可靠性。例如：配备在汽车上的安全气囊。很多嵌入式系统有硬件机制来保障，如看门狗锁等。

关注成本：如量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。

嵌入式系统的分类

按处理器位数分：

• $4/8/16$ 位处理器：现已广泛应用
• $32$ 位处理器
• $64$ 位处理器

按应用场景分类

按速度分类：

• 强实时系统
• 实时系统
• 软实时系统：系统响应时间不满足也可以。

嵌入式系统的发展趋势

• 嵌入式人工智能
• 不断增加算力和复杂性、云和边缘计算
• 互通互联的需求增加
• 集成度增加

嵌入式系统硬件

处理器

• $\mathrm{ARM}$
• $\mathrm{MIPS}$
• $\mathrm{PowerPC}$
• $\mathrm{x}86$

计算机结构

• 冯诺依曼结构
• 哈佛结构

编程模型

• 程序中可以用到的寄存器集合。某些寄存器保留不可见。

嵌入式微处理单元

• $\mathrm{MPU}$：类似通用 $\mathrm{CPU}$。
• $\mathrm{MCU}$： 将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片之中，芯片内一般会集成 $\mathrm{ROM}$、内存、总线、定时器、$\mathrm{I}/\mathrm{O}$​ 等外设。
• $\mathrm{DSP}$：专门用于信号处理的处理器。
• $\mathrm{SoC}$：追求产品系统最大包容的集成器件。

现场可编程门阵列 $\mathrm{FPGA}$

• 具有可编程特性的集成电路
• 属于半定制电路
• 用硬件实现数据处理，定制化特别高
• 但是不能处理多事件

选择微处理器的准则

• 高效、经济地满足任务的计算需求
• 软件开发工具的可用性
• 广泛的可用性和微处理器来源

$\mathrm{ARM}$ 处理器

采用典型的 $\mathrm{RISC}$ 架构，具有丰富的寄存器、简单寻址模式和统一长度的指令字段。增强功能有每条指令包括移位器的操作和条件执行。特点是高性能、低代码量、低功耗和低硅面积。

物联网设备分类

• 高端设备，如车载；
• 中端设备，包括单板机和手机；
• 低级物联网设备，资源有限，如 $\mathrm{Arduino}$ 等。