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1.3 嵌入式系统的分类与特点

嵌入式系统大致根据处理器性能、系统实时性、系统软件复杂度以及系统的应用领域划分为四大类,除了嵌入式系统的应用领域以外,其他三个方面都是嵌入式系统发展的阶段性产物。嵌入式系统以自身高效的处理能力、灵活的裁剪功能、低廉的生产成本,以及专用的技术领域等,成为当下最热门的技术之一。

1.3.1 嵌入式系统的分类

嵌入式系统大致可以划分为处理器、系统性能、系统软件复杂度以及嵌入式系统的行业应用领域四大类,如图1-3所示。

图1-3 嵌入式系统

1.按照处理器的性能划分

按处理器性能划分属于从硬件的角度分类,自20世纪70年代第一块微处理器Intel 4004诞生,是真正意义上嵌入式系统的开始。随着科技的进步,处理器的处理性能有着明显的提高,主要处理速度大幅提高,处理器的寻址空间由4位、8位、16位、32位发展到64位高性能处理器,嵌入式系统也从单面板系统进入了微处理器系统时代。这里需要补充的是处理器发展大致经历了3个阶段,第一个阶段是单片微型计算机系统(即SCM),该阶段主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统体系结构,这也奠定了后来与通用计算机截然不同的技术路线;第二阶段就是单片机(MCU)时代;第三个阶段是片上系统(SOC)时代。

2.按照系统复杂度划分

若按照系统的复杂程度划分,嵌入式系统根据任务的种类和数量划分为单次执行、轮询执行、前后台模式、单核多任务以及多核多任务的嵌入式系统。单次执行任务系统目前很少见了,比如开机启动点亮一个LED(发光二极管)的操作;循环执行的嵌入式系统还很多,如让LED循环闪烁、软件延时等;前后台模式嵌入式系统随处可见,主要分为前台应用程序和后台中断服务程序,这就是简单嵌入式系统当中用到的前后台的嵌入式系统。图1-1中的产品,大多是前后台模式,这种嵌入式系统任务相对较少。随着任务数量的增加,简单的前后台模式在处理多任务时就显得力不从心,于是,一些嵌入式达人开始用低性能单片机来写一些多任务系统,比如基于时间调度的嵌入式系统,就是利用单片机里的定时器,写了一套有点类似操作系统任务调度的函数,来穷尽单片机的所有资源,但这种方式对于用户需求的不断增加还是无可奈何。不过这种基于时间调度的嵌入式系统方式已经开始有了操作系统的意思,也就是单核多任务嵌入式系统的代表。在图1-2的产品中,像手机、POS机则属于多核多任务嵌入式系统。

3.按照实时性和可靠性划分

按照实时性和可靠性来划分嵌入式系统的话,可划分为弱实时嵌入式系统、一般实时嵌入式系统以及强实时嵌入式系统。其实关于嵌入式实时性一般都和带有操作系统的嵌入式系统联系在一起,但是也有前后台模式实时嵌入式系统。从字面意思理解嵌入式系统的实时性,就是指一个任务从开始执行到执行结束,时间是确定的,可定量计算出来的,比如航天领域的火箭发射以及卫星系统的轨道运行轨迹和速度等。因此像这类对时间严格要求的领域均应采用强实时嵌入式系统,而一般的消费电子类产品不需要这么严格的时间要求,可以使用一般实时嵌入式系统,对不要求时间的场合就可以选用弱实时嵌入式系统。嵌入式系统的实时性和嵌入式系统的成本也是息息相关的。

4.按照应用领域划分

按照嵌入式系统的应用领域划分,主要分为工业、科学、医疗、民用、军工以及航空航天领域。工业领域主要是自动化产品、工业仪器仪表等;科学领域主要是科学研究领域,比如波士顿动力的人形机器人、无人驾驶系统等;医疗领域中主要是血糖仪、心电图仪器、核磁共振机等;民用领域中有手环、手机、冰箱、洗衣机等;军工类的产品有导弹制导系统、移动单兵作战系统等。

1.3.2 嵌入式系统的特点

嵌入式系统层次结构明确,软硬件可以灵活剪裁,系统开销小,有专用性强、统一的接口、实时性高,可以移植各种操作系统,以及开发环境方便搭建的优点,但也有硬件复用度低、软件可移植性差等缺点。

嵌入式系统可以灵活剪裁,从而降低生产成本,提高企业和个人经济效益。例如GPS定位系统并不像POS机一样需要高性能处理器和复杂的板卡,因此工程师就可以选择性能匹配的处理器和功能匹配的板卡。软件工程师也没有必要非要移植操作系统,直接前后台的模式就能实现GPS系统的正常工作。这在降低研发费用的同时,还提高了研发的效率。

嵌入式系统专用性很强,一个嵌入式系统一般都是专门为处理某项工作而设计的,和普通的笔记本或台式计算机相比,系统开销小,从而降低了生产成本。嵌入式系统一般工作都使用统一的接口,比如串口、IIC、SPI、CAN接口,便于统一接口标准。

嵌入式系统在硬件复用度和软件移植性上显得有些不足,比如前文提到的GPS定位系统,一旦板卡设计完成,硬件板卡就只能做GPS定位功能使用,不能再做其他的应用了;同样软件也是,很难再移植到别的应用平台。但是嵌入式本来就是专用性系统,因此工程师在设计产品阶段应该配合产品工程师提前预计市场需求,避免生产过剩等问题。 yEvhnE5gVp/OPR2fBEMsXvMvzS7QZQe17IrLEhsx8roLzPPsMmPHcaVXaIwVcgIP

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