嵌入式系统

嵌入式系统

嵌入式系统（Embedded System）是指专门为特定功能设计的计算机系统，通常作为更大系统的一部分运行。与通用计算机不同，嵌入式系统通常执行预定义任务，具有实时性要求、资源受限和专用性强等特点。

基本特征

嵌入式系统的核心特征包括：

• 专用性：针对特定应用设计
• 实时性：多数需要实时响应
• 资源受限：有限的处理器性能、内存和存储空间
• 低功耗：许多应用需要电池供电
• 可靠性：长期稳定运行要求

硬件架构

典型嵌入式系统硬件组成：

graph TD A[处理器] --> B[存储器] A --> C[输入设备] A --> D[输出设备] A --> E[通信接口] B --> F[ROM] B --> G[RAM] C --> H[传感器] D --> I[执行器] E --> J[UART/SPI/I2C]

软件架构

嵌入式软件通常采用分层设计： 1. 硬件抽象层（HAL） 2. 实时操作系统（RTOS）或裸机程序 3. 应用层

常见RTOS包括：

• FreeRTOS
• RT-Thread
• μC/OS

开发流程

嵌入式系统开发典型步骤： 1. 需求分析 2. 硬件选型（如选择51单片机或STM32） 3. 软件开发 4. 交叉编译 5. 调试测试 6. 部署维护

编程示例

以下是一个基于51单片机的简单LED闪烁程序：

#include <reg51.h>

void delay(unsigned int time) {
    while(time--);
}

void main() {
    while(1) {
        P1 = 0x00;  // LED全亮
        delay(50000);
        P1 = 0xFF;  // LED全灭
        delay(50000);
    }
}

应用领域

嵌入式系统广泛应用于：

• 工业控制：PLC、机器人
• 消费电子：智能手机、智能家居
• 汽车电子：ECU、ADAS
• 医疗设备：监护仪、植入式设备
• 物联网：传感器节点、网关

性能指标

评估嵌入式系统性能的关键参数： $\begin{array}{rl}\text{实时性指标}& =\frac{\text{任务完成时间}}{\text{截止时间}}\\ \text{功耗效率}& =\frac{\text{MIPS}}{\text{mW}}\end{array}$

发展趋势

现代嵌入式系统发展呈现以下趋势：

• 多核处理器应用
• AI边缘计算集成
• 低功耗设计优化
• 功能安全认证（如ISO 26262）
• 无线连接能力增强

参见

• 物联网 - 嵌入式系统的重要应用领域
• 实时操作系统 - 嵌入式软件核心
• 微控制器 - 嵌入式硬件基础
• 边缘计算 - 嵌入式系统新方向