嵌入式系统

嵌入式系统（英語：Embedded system），是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备，被嵌入的系统通常是包含數位硬件和机械部件的完整设备，例如汽車的防鎖死煞車系統。相反，通用计算机如个人电脑则设计灵活，可以智能處理各式各樣的運算情況，以满足广大终端用户不同的需要。
现代嵌入式系统通常是基于微控制器（如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元）的，但在较复杂的系统中普通微处理器（使用外部存储芯片和外设接口电路）也很常见。通用型处理器、专门进行某类计算的处理器、为手持应用订制设计的处理器等，都可能应用到嵌入式系统。常见的专用处理器有数字信号处理器。
嵌入式系统的关键特性是处理特定的任务，因此工程师能对其进行优化，以降低产品的体积和成本，提升可靠性和性能。
嵌入式系统的物理形态包括便携设备如計步器、电子手表和MP3播放器，大型固定装置如交通灯、工厂控制器，大型复杂系统如混合动力汽车、磁共振成像设备、航空电子设备等。它们的复杂度低至单片机，高至大型底盘或外壳内安装有多个部件、外设和网络。
嵌入式系统通常应用于消费类、烹饪、工业、自动化、医疗、商业及军事领域。
从网络级的电话交换机到手机终端都部署了大量嵌入式系统。
包括PDA、MP3播放器、移动电话、游戏机、数位摄像机、DVD播放器、全球卫星定位系统接收器和打印机。
微波炉、洗衣机和洗碗机中采用了嵌入式系统，带来灵活性、效率和功能；高级暖通空调系统采用联网的恒温器更精确、高效的按天或季度控制温度；智能家居使用嵌入式设备进行感知、控制，通过有线和无线网络控制灯光、温湿度、安全、音视频、监控等。
安全要求相当高的飞机中采用了先进的航空电子设备，如惯性导航系统、全球卫星定位接收器；
各种电机——直流无刷电机、异步电机和直流电机中使用了电气/电子电机控制器；汽车、电动车、混合动力汽车越来越多地采用嵌入式系统来节能减排；
其他汽车安全系统，包括防鎖死煞車系統、电子稳定控制系统、牵引力控制系统（英语：Traction control system）、自动四驱系统。
使用嵌入式设备进行生命体征监测，电子听诊器放大声音，各种医疗成像系统（正电子发射计算机断层扫描、单光子发射计算机化断层显像、计算机断层扫描、核磁共振成像）进行非入侵式内部检查；医疗设备内的嵌入式系统通常采用工业计算机。
嵌入式系统应用在交通、消防、安防、医疗和生命攸关系统中，由于这些系统能够与黑客等隔离，因而更可靠。在消防安全中，经过设计，系统能在高温环境下持续工作。出于安全需要，嵌入式系统可以自给自足，能够处理切断了电气和通信系统的情况。
WSN领域的发展，促使一种新型的微型无线设备智慧型微尘迅速普及。人们可以通过信息监测和控制系统感知并作用于物理世界的无数事物。微尘采用微制造技术，通过先进的IC设计技术，将无线子系统与尖端的传感器结合；从而让人们可以通过信息监测和控制系统感知并作用于物理世界的无数事物。这些微尘是完全自给自足的，在需要更换电池或充电前通常可以工作数年。
利用嵌入式Wi-Fi模块，原先利用串口进行通信的设备可以轻松启用无线通信功能。
MIT仪器研究室的查尔斯·斯塔克·德雷珀开发的阿波罗制导计算机是现代嵌入式系统的雏形之一。在项目初期，它被看成风险最高的部分，原因是为了减小尺寸和重量，它采用了当时最新研发的单片集成电路。
第一款大批量生产的嵌入式系统是1961年发布的民兵I导弹内的D-17自动制导计算机。当民兵II导弹在1966年开始生产的时候，D-17升级成一种新型计算机，其中首次大量使用了集成电路。仅这个项目就将反及閘模块的单价从1000美元降低至3美元，低到可用于商业产品。
由于二十世纪六十年代的这些早期应用，不仅嵌入式系统的价格降低了，同时处理能力和功能也获得了巨大的提高。以第一款单片机英特尔4004为例，它是为计算器和其他小型系统设计的，但仍然需要外部存储器和外围芯片。1978年，国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”，涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器，如單板機、数控设备，以及基于事件的控制器。
随着微控制器和微处理器的价格下降，消费品也可以更换掉基于按钮的模拟器件，如分压计和可变电容，采用微处理器读取开关或按钮信号。
到了二十世纪八十年代早期，存储器、输入输出部件集成到处理器内，产生了单片机。在采用通用计算机占用的成本太高昂的应用中，单片机取而代之。
较低成本的单片机编程后可取代很多独立部件，这种嵌入式系统通常比传统解决方案更复杂，但这些复杂性多数体现在单片机自身。嵌入式系统需要的外围元件很少，多数设计工作集中在软件，而软件原型的建立及测试与设计與建立新的不使用嵌入式处理器的电路相比速度更快。
区别于可以执行多重任务的通用型计算机，嵌入式系统是为某些特定任务而设计的。有些系统则必须满足实时性要求，以确保安全性和可用性；另一些系统则对性能要求很低甚至不要求性能，以简化硬件、降低成本。
嵌入式系统并不总是独立的设备。许多嵌入式系统由嵌入较大设备的小计算部件组成，提供较通用的功能。例如吉他机器人采用嵌入式系统来调弦，但总的来说它的设计目的绝不是调弦而是演奏音乐；车载电脑作为汽车的一个子系统存在，提供导航、控制、车况反馈等功能。
为嵌入式系统编写的程序称为固件，存储在只读存储器或闪存芯片内，运行在有限的硬件资源上：小容量内存，小键盘或屏幕甚至没有。
嵌入式系统用户界面包括了从没有用户界面而只专注于单一任务、到类似于现代桌面操作系统的复杂图形用户界面的各类界面。
简单的嵌入式设备使用按钮、LED、图形或数字LCD和简单的菜单系统。
较高階的嵌入式系统使用图形显示屏，配合触摸感应或屏边按钮使用，可使占用空间最小并提供灵活性：按钮的含义随屏幕显示的内容而改变，而且指向想要的选项进行操作就能实现选择。手持系统通常采用显示屏加操纵杆按钮作为触控装置。
有些系统通过序列埠（如RS-232、USB、I2C等）或网络连接远程提供用户界面。这种方式的优势在于：扩展了系统的性能、削减了显示屏的成本、简化了BSP，可以在PC上构建丰富的用户界面。例如运行在嵌入式设备平台（如IP摄像机或路由器）上的嵌入式网络服务器，它无需安装定制软件，而是在连到设备的PC端的网络浏览器中显示用户界面。
嵌入式处理器大概可分为两类。一类是普通微处理器：使用独立的集成电路存储器和外设。另一类是单片机：具有片上外设，降低了功耗、尺寸和成本。嵌入式系统的软件是为某种应用定制的，而不是像个人计算机那样的由终端用户安装的商品，因此可以使用各种不同的基本CPU架构：既有范紐曼型架構也有不同程度的哈佛结构；既有RISC也有非精简指令集处理器；字长从4位到64位甚至更高，当然最典型的仍然是8/16位。多数架构由几家不同的公司生产，使用了大量不同的变量和类型。
嵌入式系统也会使用通用型微处理器，但比单片机需要更多外围电路。
PC/104和PC/104+是小型、小批量嵌入式强固系统的标准之一，大多基于x86架构；通常比标准PC要小，而比多数简单的8/16位嵌入式系统要大；使用MSDOS、Linux、NetBSD，或实时嵌入式操作系统如MicroC/OS-II、QNX、VxWorks。有时这些主板也会使用非x86处理器。
在某些应用中，小巧、高效并非主要关注点，因而可以使用与x86型PC主板兼容的部件。VIA EPIA系列板卡则可以弥补这个空缺，它兼容PC但是高度集成、体积较小，或提供其他对嵌入式工程师很有吸引力的特性。这种方法的好处是低成本商品也可以使用通用的软件开发工具。用这种方法构建的系统仍然是嵌入式系统，因为它嵌入在较大的设备中、用于满足单一用途。例如ATM和电子游戏机，它们都包含了针对各自应用的代码。
多数嵌入式主板都不是围绕PC设计的，也不使用ISA或PCI总线。如果采用SoC处理器，用标准总线连接分立元件就不是上策，此外软硬件开发环境都可能会很不一样。
一种常用的设计模式是采用小型系统模块——也许只有商务卡片大小，容纳高密度的BGA芯片如ARM处理器和外设、用于存储的外部闪存、作为内存的DRAM。模块厂商通常会提供引导软件和操作系统选项，一般包括Linux和一些实时操作系统。这些模块由熟悉专业测试方法的组织大批量生产，配合较小批量的、带特殊应用外设的定制主板使用。
SoC是一种常见的为超大批量嵌入式系统设计的可配置阵列。它在单个芯片内包含了多处理器、乘法器、缓存和接口，形成一个完整的系统；通过专用集成电路或现场可编程门阵列来实现。
嵌入式系统通过外设与外部通信：
同典型的计算机程序员一样，嵌入式系统设计人员也使用编译器、连结器和调试器开发嵌入式系统软件。然而，他们也使用一些大多数程序员不熟悉的工具。
软件工具的来源有如下几种：
嵌入式系统设计人员也使用一些不为普通计算机程序员所熟悉的软件工具：
一些编程语言为嵌入式系统编程提供了一些特殊支持。
调试通常使用内部电路仿真器或者其他一些能够在微控制器微码（microcode）内部产生中断的调试器。微码中断让调试器能够在只有CPU工作的硬件中进行操作，基于CPU的调试器能够从CPU的角度来测试和调试计算机的电路。PDP-11开创了这种特性的先河。
开发人员能够仍然使用断点、单步执行以及高级语言进行调试，在许多的调试工具上都有这种能力。另外开发人员在调试实时事件顺序的时候需要记录、使用简单的记录工具。
首先遇到这种问题的个人电脑和大型机程序员经常在设计优先级和可行方法的时候感到困惑。指导、代码审查和非个人风格（egoless（英语：egoless））的编程是值得推荐的。
随着嵌入式系统变得越来越复杂，更高层次的工具和操作系统逐渐移植到可行的设备上。例如，蜂窝电话、个人数字助理和其他的消费用计算机需要一些从个人或者这些电子设备制造商之外的公司购买或者提供的一些重要软件。在这些系统中，需要如Linux、OSGi或者Java这样的开放编程环境，这样第三方软件提供上才能够在大规模的市场上销售软件。
大多数这样的开发环境都有一个运行在个人电脑上的参考设计，这种软件的绝大部分都可以在传统的个人电脑上开发。然而，从开放环境移植到专用的电子设备和电子设备的驱动程序开发通常仍然是传统的嵌入式系统软件工程师的工作。在有些情况下，the engineer works for the integrated circuit manufacturer, but there is still such a person somewhere.
嵌入式系统经常没有操作系统、专用的嵌入式操作系统（经常是实时操作系统）或者指定程序员移植到这些新系统。
嵌入式系统带有启动代码，通常它禁止中断、设置电子设备参数、测试计算机（RAM、CPU和软件），然后开始应用程序运行。许多嵌入式系统从短暂的掉电状态恢复，经常重起而不进行最近的自检。在十分之一秒内重啟是常见的现象。
许多设计人员发现LED在指示错误状态上非常有用，它们可以帮助进行故障处理。一个常用的机制是在复位的时候点亮电子设备所有的LED以表明供电和LED正常工作；然后在进行加电自检时由软件改变LED的状态；在此之后，软件用这些LED指示操作过程中的正常或者故障状态。这可以让技术人员、工程师和用户了解系统的状态。一个有趣的例外是电度表（electric power meters）和其他一些大街上的东西，闪烁的指示灯是为了吸引注意力或者表示损坏状态。
许多嵌入式系统都有一定程度或者一定数量的内部加电自检，自检有几种类型：
根据人们需求的不同，可靠性也有不同的定义，有意思的是，可靠性的类型却相对较少，相似可靠性类型的系统，使用相似类型的内在检查和恢复方法：
常用的嵌入式软件架构有几种不同的基本类型。
在這種設計中，軟體有一個簡單的循環，這個循環調用各個子程序，每個子程序管理硬體或者軟體的某一部分。中斷通常用來設置標記或者更新軟體其他部分能夠讀取的暫存器。
系統使用簡單的API來完成允許和禁止中斷設置。如果處理得當的話，它能夠在嵌套子程序中處理嵌套調用，在最外面的中斷允許嵌套中恢復前面的中斷狀態。這種方法是實作Exokernel的一個最簡單的方法。
通常在循環中有一些子程序使用周期性的即時中斷控制一組軟體定時器，當一個定時器時間到的時候就會執行相應的子程序或者設置相應的標誌。
任何可能發生的硬體事件都應該有軟體定時器的支持，硬體事件大概每萬億次出現一次錯誤，對於現代的硬體來說大概是一年發生一次，對於以百萬計大規模生產的設備來說，遺漏一個軟體軟體定時器在商業上可能是災難性的。
有時測試軟體運行一組基於軟體的安全定時器，它們周期性地複位硬體中的看門狗計時器。如果軟體錯過一個事件，安全定時器軟體將會捕捉到它。如果安全定時器出錯，看門狗硬體將會複位系統。
可以使用指向每個狀態機函數的指標實作狀態機，函數可以用C++、C或者組合語言等實作。變化的狀態將不同的函數放到指標中，每次循環運行時都會執行函數指標。
許多設計人員建議每個循環讀一次輸入輸出設備、並且保存得到的結果，這樣可以保證邏輯過程的在一致的參數上運行。
許多設計人員喜歡將狀態機設計成每個狀態僅僅檢查一到兩項內容，通常是檢查硬體事件和軟體定時器。
設計人員建議多級狀態機應該讓低層狀態機早於高層狀態機運行，這樣高層就能夠根據正確的信息運行。
如內部燃燒控制這樣的複雜功能通常根據多維表格進行處理，代碼通常進行查表處理而不進行複雜的計算，為了減小表格的大小以及成本軟體可以在條目之間進行差值運算。
在最小的微控制器中，尤其是只有128位元組堆疊的8051中，控制環允許好的链接器使用靜態分配的數據覆蓋本地變數。在這種機制中，離子程序調用樹末端越近的變數得到的記憶體地址越高。當開始一個新的分支的時候，它的變數可以在以前分支遺棄的空間中進行重新分配。
簡單控制迴圈的一個主要缺點是它無法保證響應特定硬體事件的時間。
細心的設計可以很容易地保證中斷不會被長時間禁止，這樣中斷代碼就可以在非常精確的時間運行。
控制環的另外一個主要缺陷是增加新的特性的時候會變得複雜。需要花費很長時間的演算法必須小心地進行分解以使得每次只有一小部分在主循環中運行。
這種系統的優勢是它的簡單性，並且在很小的軟體上，循環執行地很快幾乎沒有人關心它是不可預測的。
它的另外一個優勢是這種系統保證運行軟體的質量，無法將不好的運行結果歸咎為其他的作業系統。
使用上面的非抢先式任务系统，从一个抢先式定时器或者其他中断运行。
这样系统就突然变得很不一样了。任何一个任务的代码都有可能损害其他任务的数据&emdash;所以它们必须进行切缺的切分。对于共享数据的访问必须使用一些同步策略进行控制，如消息队列、信号灯或者非阻塞同步机制。
经常在这一步开发组织就会购买一套实时操作系统。如果一个组织缺少能够编写操作系统的人才或者操作系统将要在几个产品之上，这可能是一个明智的选择。这通常要将开发计划增加六到八周，and forever after programmers can blame delays on it.
这种方法试图将系统组织得比宏内核更易于配置，而同时提供类似的特点。
微内核是实时操作系统的一个逻辑发展，通常的组织方式是操作系统内核分配内存并且将CPU在不同的线程之间进行切换。用户模式的进程实现如文件系统、用户接口等主要的功能。
微内核在二十世纪五十年代开始首次尝试，但是由于计算机在任务间切换以及在任务间交换数据速度非常缓慢，所以人们放弃了微内核而钟情于MULTICS和UNIX风格的大内核。总体上来说，微内核在任务切换以及任务间通信速度快的时候是比较成功的，在速度慢的时候是失败的。
外内核通过使用普通的子程序调用获得的通信效率很高，硬件以及系统中的软件都是程序员能用也能扩展的。资源内核（可能是库的一部分）分配CPU时间、内存以及其他资源。如多任务、网络以及文件系统这样的大内核特性通过代码库来提供。库可以进行动态的连接、扩展或者共享。不同的应用甚至可以使用的不同的库，但是所有的资源都来自于资源内核。
一些航空电子系统使用几个商用计算机。这样更进一步，每个计算机都在模拟它们自身的几个副本，重要的程序同时在几个计算机上运行并且进行投票控制（vote）。
模拟环境的优点就是即使一个计算机出现故障，软件的不同例程能够迁移到正常工作的软件分区，表决的票数并不受影响。
通常虚拟软件运行在计算机的用户模式下，它捕捉、模拟硬件访问和不在用户模式下运行的指令。
另外一种常用的机制是两个计算机计算for a bit，然后将它们的计算结果报到那个点上。如果一个计算机的计算是nut，它就会被关闭。
这种系统通常在没有系统经费的嵌入式项目中流行，但是从这篇文章的多个作者来看，这通常是不正确的，它们的逻辑是：
然而许多工程师并不认同这一点，嵌入式Linux越来越受到人们的欢迎，尤其是在无线路由器和全球定位系统这样的功能强大的嵌入式系统中。其中有下面一些原因：
一些系统需要安全、及时、可靠或者高效的特性，上面的架构却无法达到，构建这样的系统有一些广为人知的技巧：
这就意味着使用两个优先级和监视器的系统是安全、可靠的，因为它们没有死锁和优先级倒置的问题。如果监视器能够执行到结束，那么就永远不会挂起。如果使用和谐的任务，可能还会相当高效。然而，RMA无法描述这些系统，优先级最好也不要到处都有，其中包括操作系统和硬件。
参见嵌入式操作系统