嵌入式系統很普遍，但它們究竟是什么，它們在哪里使用？在本文，工程師將嵌入式系統與臺式機或筆記本電腦進行比較，考慮它們的優缺點，并介紹一些應用程序和示例。

我們都熟悉英特爾奔騰系列等微處理器，因為它們為我們的日常電子設備提供動力：臺式機和筆記本電腦、平板電腦和智能手機。然而，這些微處理器以及許多其他類型的微處理器也促進了另一種同樣無處不在但不太明顯的機器——嵌入式系統。

事實上，2017年銷售的微處理器中只有53%是計算機CPU。32%用于平板電腦和智能手機，其余用于嵌入式處理（IC Insights）。

一、什么是嵌入式系統？

與可以隨身攜帶并用于任何應用程序的筆記本電腦不同，嵌入式系統專為特定設備或機器而設計，并用于控制其操作。“設備或機器”可以是從智能手表到大型醫學成像系統或機器人的任何東西，正如其名稱所暗示的那樣，嵌入式系統通常嵌入其中。

由于其控制功能，嵌入式系統必須能夠監控傳感器輸入，如溫度、電壓或視頻，對測量數據執行控制和可能的分析計算，并將輸出設置為執行器，如顯示器、燈、電機、或相應的閥門。因此，嵌入式系統必須有一組輸入端口，這些端口在電氣和物理上與它們所監控的傳感器兼容。它們應該具有正確的范圍和比例，并具有合適的精度和準確度。還應該內置對電氣干擾造成的損壞或損壞的抵抗力。還必須提供具有足夠功率來驅動執行器的輸出，以及電源和控制電路之間的電氣隔離。

嵌入式系統封裝——容納電子設備和電源的外殼，這也是一個重要的考慮因素，因為嵌入式系統經常安裝在具有挑戰性的環境條件的位置。例如，灰塵和其他物體、濕氣甚至水的進入都可能是一種威脅。解決方案是將嵌入式系統構建到“IP（入口保護）等級”外殼中，其IP等級足以承受目標環境。IP等級由IEC60529定義。

溫度管理是另一個關鍵因素，特別是因為嵌入式系統通常內置于狹小、受限的空間中，無法輕松排出熱量——如果操作環境溫度升高，這種情況可能會加劇。盡管可以設計主動冷卻系統，但如果可能，更好的解決方案是使用無風扇運行的冷運行CPU。這節省了空間和冷卻能源，還提高了可靠性，因為沒有風扇故障。此外，消除通風使IP保護更容易。

固態硬盤驅動器和隔振安裝套件的使用也可能是安裝到易受沖擊和振動的位置（例如火車或輪船）或進行爆破和鉆孔作業的礦井中所必需的。

嵌入式系統的大小差異很大，這取決于它們必須控制的輸入和輸出的數量，以及所需控制功能的速度和復雜性。例如，智能手表控制器需要在單個小型印刷電路板上實現。然而，對于大型應用程序，更典型的方法是使用工業PC，因為它具有靈活性和可擴展性，并且在某種程度上，它使用了標準化的硬件和軟件組件。

在架構上，嵌入式PC類似于其臺式機，但由于上述環境原因，其硬件實現將大不相同。然而，另一個主要區別在于操作系統。像Windows10這樣的桌面環境不太適合，因為它的設計目的不是提供處理實時事件的控制功能。相反，實時操作系統（RTOS）用于提供實時控制必不可少的功能。

首先，RTOS對其正在測量的事件提供快速且確定性的響應；“確定性”意味著“能夠在有保證的時間范圍內做出響應”。然后，RTOS必須能夠在任務之間快速切換，以有效響應發生的多個可能隨機事件。為了優化應用程序的實現，必須可以為任務分配優先級，以反映它們支持的進程的優先級。

RTOS還應表現出高度的安全性和可靠性。它們應該包括對看門狗定時器的支持，允許它們在軟件鎖定后自動復位。

二、嵌入式系統優缺點

與臺式機或筆記本電腦相比，嵌入式系統既有優勢也有劣勢——盡管某些功能的優勢或劣勢在一定程度上取決于應用程序。

三、嵌入式系統的優勢

它們可以通過專用于單個應用程序來降低成本。例如，可以排除高性能圖形；有些系統可能根本沒有圖形用戶界面。如果目標應用程序不需要高性能處理，其他系統可能具有有限性能和功率需求的處理器。此類系統的功率要求也較低，有些甚至可能依靠電池運行。嵌入式系統也可以非常緊湊且易于定位，特別是如果它們不需要圍繞它們的大的自由空間外殼進行通風。

此外，嵌入式系統非常可靠，因為它們必須滿足其應用程序的需求。它們可以在惡劣的環境和電氣條件下存活，甚至可能被故意濫用，例如，在公共場所就很有用。

四、嵌入式系統的缺點

由于嵌入式系統往往被設計為僅處理一項特定任務，將它們重新分配給不同的應用程序可能很困難。可能很少或沒有備用通信端口或擴展卡插槽。此外，他們的RTOS在支持廣泛的軟件應用程序方面不會像桌面Windows一樣——即使它支持，處理它們的能力和內存也可能是有限的。

在比較性能相似的臺式機和嵌入式系統時，嵌入式系統可能會更貴。這是因為嵌入式系統的生產量以及成本攤銷的機會將會減少。嵌入式系統設計還傾向于使用更高質量和更昂貴的材料和組件，以提高耐用性和可靠性。

五、嵌入式系統應用

上面，我們已經提到嵌入式系統可以在各種規模的應用程序中找到，比如智能手表。其他小例子包括：

（1）GPS接收器；

（2）數碼相機；

（3）游戲機；

（4）無線路由器；

（5）復印機。

在這種情況下，智能手機是有趣的設備。它們展示了嵌入式系統的許多特征——但它們也可以接受和運行用戶指定的應用程序，使它們在這方面就像臺式機一樣！

類似的論點也適用于工業中廣泛使用的可編程邏輯控制器（PLC）。它們通常基于工業PC架構，因此，盡管它們具有嵌入式系統特性，例如堅固的結構和RTOS，但它們也具有桌面PC類型的能力來接受不同的應用程序。其他更專業更大規模的應用程序包括：

（1）工業機器人手臂控制器；

（2）交通燈控制器；

（3）安全系統；

（4）航空航天應用；

（5）制造過程中使用的過程控制系統。