嵌入式系统

历史

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闸模块的单价从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，如单板机、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组件很少，多数设计工作集中在软件，而软件原型的创建及测试与设计与创建新的不使用嵌入式处理器的电路相比速度更快。

特性

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；车载计算机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。

用户界面

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。
较高端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设备。
有些系统通过串行端口（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。

嵌入式系统的处理器

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：既有范纽曼型架构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。

嵌入式主板

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组件就不是上策，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。

ASIC和FPGA解决方案

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。

调试

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计算机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）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计算机上的参考设计，这种软件的绝大部分都可以在传统的个人计算机上开发。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.

操作系统

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。

启动

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。在十分之一秒内重启是常见的现象。
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。

嵌入式软件架构的类型

常用的嵌入式软件架构有几种不同的基本类型。

控制循环

在这种设计中，软件有一个简单的循环，这个循环调用各个子程序，每个子程序管理硬件或者软件的某一部分。中断通常用来设置标记或者更新软件其他部分能够读取的寄存器。
系统使用简单的API来完成允许和禁止中断设置。如果处理得当的话，它能够在嵌套子程序中处理嵌套调用，在最外面的中断允许嵌套中恢复前面的中断状态。这种方法是实现Exokernel的一个最简单的方法。
通常在循环中有一些子程序使用周期性的实时中断控制一组软件定时器，当一个定时器时间到的时候就会运行相应的子程序或者设置相应的标志。
任何可能发生的硬件事件都应该有软件定时器的支持，硬件事件大概每万亿次出现一次错误，对于现代的硬件来说大概是一年发生一次，对于以百万计大规模生产的设备来说，遗漏一个软件软件定时器在商业上可能是灾难性的。
有时测试软件运行一组基于软件的安全定时器，它们周期性地复位硬件中的软件看门狗。如果软件错过一个事件，安全定时器软件将会捕捉到它。如果安全定时器出错，看门狗硬件将会复位系统。
可以使用指向每个状态机函数的指针实现状态机，函数可以用C++、C或者汇编语言等实现。变化的状态将不同的函数放到指针中，每次循环运行时都会运行函数指针。
许多设计人员建议每个循环读一次输入输出设备、并且保存得到的结果，这样可以保证逻辑过程的在一致的参数上运行。
许多设计人员喜欢将状态机设计成每个状态仅仅检查一到两项内容，通常是检查硬件事件和软件定时器。
设计人员建议多级状态机应该让低层状态机早于高层状态机运行，这样高层就能够根据正确的信息运行。
如内部燃烧控制这样的复杂功能通常根据多维表格进行处理，代码通常进行查表处理而不进行复杂的计算，为了减小表格的大小以及成本软件可以在条目之间进行差值运算。
在最小的微控制器中，尤其是只有128位组堆栈的8051中，控制环允许好的链接器使用静态分配的数据覆盖本地变量。在这种机制中，离子程序调用树末端越近的变量得到的存储器地址越高。当开始一个新的分支的时候，它的变量可以在以前分支遗弃的空间中进行重新分配。
简单控制循环的一个主要缺点是它无法保证响应特定硬件事件的时间。
细心的设计可以很容易地保证中断不会被长时间禁止，这样中断代码就可以在非常精确的时间运行。
控制环的另外一个主要缺陷是增加新的特性的时候会变得复杂。需要花费很长时间的算法必须小心地进行分解以使得每次只有一小部分在主循环中运行。
这种系统的优势是它的简单性，并且在很小的软件上，循环运行地很快几乎没有人关心它是不可预测的。
它的另外一个优势是这种系统保证运行软件的质量，无法将不好的运行结果归咎为其他的操作系统。

非抢先式任务

非抢先式任务系统非常类似于上面的系统，只是这个循环是隐藏在API中的。我们定义一系列的任务，每个任务获得自己的子程序栈；然后，当一个任务空闲的时候，它调用一个空闲子程序（通常调用“暂停”、“等候”、“交出（yield）”等等）。
带有类似属性的架构都带有一个事件队列，有一个循环根据队列列表中的一个域确定删除时间和调用子程序。
这种架构的优点和缺点都非常类似于控制环，只是这种方法添加新的软件更加简单，只需要简单地编写新的任务或者将它添加到队列解释器中。

抢先式定时器

使用上面的任何一种系统，但是添加一个按照定时器中断运行子程序的定时器系统，这样就给系统添加了崭新的能力，这样定时器子程序第一次能在一个有保证的时间内运行。
另外，代码第一次能够在非预期的时间访问自己的数据结构。定时器子程序必须要象中断子程序一样进行处理。

抢先式任务

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.

微内核与外内核

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。

虚拟机

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。

检查点计算

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。