嵌入式系統(tǒng)無處不在。與您進(jìn)行交互的幾乎所有電氣設(shè)備都比簡單的電燈開關(guān)復(fù)雜，它包含一個數(shù)字處理器，該數(shù)字處理器從其環(huán)境中讀取輸入數(shù)據(jù)，執(zhí)行計算算法，并生成與環(huán)境進(jìn)行交互的某種輸出。

從早上睜開眼睛（響應(yīng)數(shù)字設(shè)備發(fā)出的警報）到刷牙（使用包含數(shù)字處理器的電動牙刷）到烤面包圈（在電烤箱中） ，要禁用您的（數(shù)字）家庭報警系統(tǒng)，您需要與嵌入式設(shè)備進(jìn)行交互。整天，您都向許多其他設(shè)備（例如電視遙控器，交通信號燈和鐵路道口）提供輸入并從中接收輸出。高度數(shù)字化的運輸系統(tǒng)，包括汽車，飛機和客運渡輪，每個系統(tǒng)都包含數(shù)十個（即使不是數(shù)百個）嵌入式處理器，用于管理傳動系統(tǒng)的運行，監(jiān)督安全功能，保持舒適的氣候并為所載人員提供娛樂。

讓我們花一點時間澄清有時模糊的分隔線，該分隔線將嵌入式系統(tǒng)與通用計算設(shè)備區(qū)分開。定義嵌入式計算系統(tǒng)的屬性是設(shè)備中數(shù)字處理的集成，該設(shè)備具有除單純的計算之外的更大用途。不包含任何類型的數(shù)字處理的設(shè)備不是嵌入式系統(tǒng)。例如，僅包含電池和由開關(guān)控制的電動機的電動牙刷不是嵌入式系統(tǒng)。包含微控制器的牙刷是嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)您在刷牙時用力向下按時，該微控制器會亮起紅燈。

臺式計算機盡管可以執(zhí)行許多任務(wù)，并且可以通過添加各種外圍設(shè)備來增強功能，但它只是一臺計算機。另一方面，汽車的主要目的是運送乘客。在執(zhí)行此功能時，它依賴于包含嵌入式處理的各種子系統(tǒng)。汽車是嵌入式系統(tǒng)。個人計算機不是。

智能手機更難清晰地分類。當(dāng)用作電話時，它顯然在執(zhí)行與嵌入式系統(tǒng)定義一致的功能。但是，將其用作Web瀏覽器時，它更類似于小型通用計算機。顯然，并非總是能夠確定一個設(shè)備是否是嵌入式系統(tǒng)。

了解通用計算機與嵌入式設(shè)備相比在操作環(huán)境方面的差異是有幫助的。個人計算機往往在氣候受控的室內(nèi)環(huán)境中運行效果最佳。諸如汽車中的嵌入式設(shè)備經(jīng)常暴露于更加惡劣的條件下，包括雨，雪，風(fēng)，灰塵和熱的各種影響。

很大一部分嵌入式設(shè)備缺少任何類型的有源冷卻系統(tǒng)（這在個人計算機中是標(biāo)準(zhǔn)的），因此必須采取步驟以確保其內(nèi)部組件在不受外部條件影響的情況下仍保持安全的工作溫度。

嵌入式系統(tǒng)，無論是相對簡單的設(shè)備還是高度復(fù)雜的系統(tǒng)，通常都由多種元素組成，我們現(xiàn)在將對其進(jìn)行討論。

能量源

所有電子數(shù)字設(shè)備都需要某種電源。最常見的是，嵌入式系統(tǒng)由市電或電池供電，或由設(shè)備在其中運行的主機系統(tǒng)提供的電源供電。例如，包含處理器和CAN總線通信接口的汽車尾燈組件由汽車電氣系統(tǒng)提供的12伏直流電（DC）供電。

還可以通過與太陽能電池板連接的可充電電池為嵌入式設(shè)備供電，從而使該設(shè)備在夜間和陰天甚至從環(huán)境中收集能量就可以繼續(xù)運行。自動上弦手表使用從手臂運動中收集到的能量來產(chǎn)生機械或電能。對安全性和安全性至關(guān)重要的嵌入式系統(tǒng)通常使用市電作為主要電源，同時提供電池作為備用電源，以便在停電期間進(jìn)行操作。

時基

嵌入式系統(tǒng)通常需要一些方法來跟蹤短期（對于微秒和毫秒的持續(xù)時間）和長期的時間（也稱為掛鐘時間）的進(jìn)度，以跟蹤日期和時間。最常見的是，使用產(chǎn)生幾兆赫茲輸出頻率的晶體振蕩器或微機電系統(tǒng)（MEMS）振蕩器生成一次系統(tǒng)時鐘信號。晶體振蕩器放大通常由石英制成的物理晶體的諧振，從而利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生方波電信號。MEMS振蕩器包含一個振動的機械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過靜電傳導(dǎo)產(chǎn)生電輸出。

一旦設(shè)置為正確的時間，由晶體振蕩器或MEMS振蕩器驅(qū)動的時鐘將表現(xiàn)出微小的頻率誤差（通常為百萬分之一1-100），這些誤差會在幾天和幾周的時間內(nèi)累積，逐漸偏移幾秒鐘，然后逐漸偏移幾分鐘偏離正確的時間。為了緩解此問題，大多數(shù)與Internet連接的嵌入式設(shè)備都會定期訪問時間服務(wù)器，以將其內(nèi)部時鐘重置為當(dāng)前時間。

數(shù)字處理

根據(jù)定義，嵌入式計算系統(tǒng)包含某種形式的數(shù)字處理器。處理功能通常由微控制器，微處理器或片上系統(tǒng)（SoC）提供。微控制器是一種高度集成的設(shè)備，包含一個或多個中央處理器（CPU），隨機存取存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM）和各種外圍設(shè)備。微處理器包含一個或多個CPU，但與微控制器相比，集成到同一設(shè)備中的整體系統(tǒng)功能要少得多，后者通常依賴于RAM，ROM和外圍接口的外部電路。

SoC的集成度甚至比微控制器更高，通常將一個或多個微控制器與其他數(shù)字硬件資源組合在一起，這些數(shù)字硬件資源被配置為高速執(zhí)行特殊功能。SoC設(shè)計可以在將傳統(tǒng)微控制器與定制的高性能數(shù)字邏輯相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)為現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件。

記憶

嵌入式系統(tǒng)通常包含用于工作內(nèi)存的RAM以及某種類型的ROM（通常是閃存），用于存儲可執(zhí)行程序代碼和其他所需信息，例如靜態(tài)數(shù)據(jù)庫。每種類型的內(nèi)存的數(shù)量必須足以滿足嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在其計劃的生命周期內(nèi)的需求。如果該設(shè)備旨在支持固件升級，則必須在硬件設(shè)計中提供足夠的內(nèi)存資源，以支持在整個系統(tǒng)生命周期中可能出現(xiàn)的一系列功能增強。

軟件和固件

在傳統(tǒng)的計算環(huán)境中，用戶使用的可執(zhí)行代碼（例如Web瀏覽器和電子郵件程序）稱為軟件。該術(shù)語用于區(qū)分程序代碼和構(gòu)成計算機系統(tǒng)物理組件的硬件。在通用計算機中，該軟件以文件形式存儲在磁盤驅(qū)動器上。在嵌入式系統(tǒng)中，可執(zhí)行代碼通常存儲在ROM中，ROM是設(shè)備內(nèi)的硬件組件。由于這種安排，我們可以認(rèn)為代碼占據(jù)了硬件和軟件之間的中間地帶。此中間部分稱為固件。在嵌入式系統(tǒng)的早期，代碼經(jīng)常被燒入存儲設(shè)備中，在進(jìn)行初始編程后便無法更改。與大多數(shù)當(dāng)前生產(chǎn)的嵌入式設(shè)備（通常包含可重寫閃存）相比，這些設(shè)備更像硬件（因此更“堅固”）。但是，我們繼續(xù)使用固件一詞來描述編程到嵌入式系統(tǒng)中的代碼。

專用電路

嵌入式系統(tǒng)支持各種各樣的應(yīng)用程序，其中一些是相對簡單的過程，例如監(jiān)視電視遙控器上的按鈕按下并向電視產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，而其他類型的系統(tǒng)則在高清環(huán)境下執(zhí)行極其復(fù)雜的處理密集型工作。數(shù)據(jù)速率輸入信號。雖然簡單的嵌入式系統(tǒng)可能能夠使用微型微控制器執(zhí)行所有必要的數(shù)字處理，但更復(fù)雜的系統(tǒng)可能需要的處理資源超出了現(xiàn)成的微控制器以及更強大的微處理器（例如， x86和ARM處理器。

在過去的幾年中，這些更復(fù)雜的嵌入式設(shè)計的架構(gòu)師將轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路（ASIC）來實現(xiàn)自定義電路，以便以適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)操作所需的速度執(zhí)行處理。ASIC是一種集成電路，其中包含旨在支持特定應(yīng)用的定制數(shù)字電路。ASIC設(shè)備的生產(chǎn)通常涉及非常昂貴的生產(chǎn)設(shè)置階段，這使其在項目原型設(shè)計和小規(guī)模生產(chǎn)運行中無法使用。

幸運的是，ASIC提供的許多功能現(xiàn)在都可以在低成本FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）設(shè)備中使用。由于FPGA易于重新編程，因此通常用于嵌入式系統(tǒng)原型設(shè)計和小批量生產(chǎn)。對于大批量生產(chǎn)（成千上萬個單位），ASIC較低的每單位成本可以使生產(chǎn)設(shè)置成本值得。

來自環(huán)境的投入

嵌入式系統(tǒng)通常需要來自其環(huán)境的輸入，無論是來自操作用戶界面的人員還是來自測量其所處系統(tǒng)某些方面的傳感器。例如，電動車輛動力總成控制器將跟蹤車輛狀態(tài)的各個方面，例如電池電壓，電動機電流，車輛速度和加速踏板的位置。系統(tǒng)架構(gòu)必須提供硬件外圍設(shè)備，以必要的精度來測量每個傳感器的輸入。整個系統(tǒng)必須能夠以正常車輛操作所需的速率從所有傳感器執(zhí)行測量。

輸出到環(huán)境

除了從環(huán)境中讀取輸入外，嵌入式系統(tǒng)通常還會產(chǎn)生一個或多個輸出，供操作員或主機系統(tǒng)使用。繼續(xù)以電動汽車為例，動力總成控制器使用油門踏板位置以及其他輸入來計算對驅(qū)動馬達(dá)控制器的指令，該指令可調(diào)整動力總成的扭矩輸出。除了直接支持系統(tǒng)操作外，嵌入式控制器通常還提供供人類使用的輸出，例如在儀表板上顯示車速。必須以足以支持適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)操作（包括人類感知的需求）的速率更新每個輸出。在實現(xiàn)人機界面時，

網(wǎng)絡(luò)通訊

盡管許多簡單的嵌入式系統(tǒng)以完全獨立的方式運行，在隔離的上下文中讀取其輸入，計算輸出并更新輸出設(shè)備，但越來越多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計支持某種形式的網(wǎng)絡(luò)通信。此功能啟用了設(shè)備功能，例如來自家用視頻門鈴的遠(yuǎn)程通知以及對工廠車間機械的連續(xù)監(jiān)控。

通過始終可用的網(wǎng)絡(luò)通信功能增強嵌入式系統(tǒng)可以添加大量的功能。但是，如果開發(fā)人員不注意系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的安全性，則此功能還存在可能被惡意行為者利用的安全風(fēng)險。重要的是要了解和解決由于嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中包含通信功能而帶來的安全風(fēng)險。

嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)師將這些元素結(jié)合在一起，以生成可以在預(yù)期環(huán)境條件的整個范圍內(nèi)以適當(dāng)?shù)陌踩６葓?zhí)行其預(yù)期功能的系統(tǒng)設(shè)計。

合適的系統(tǒng)設(shè)計可滿足其他要求，例如尺寸和重量限制以及功耗限制，并將生產(chǎn)成本保持在可接受的水平。嵌入式系統(tǒng)的可用設(shè)計空間在很大程度上取決于以下屬性：要生產(chǎn)的單元數(shù)量，系統(tǒng)的安全關(guān)鍵方面以及在惡劣條件下運行的需求。

包含持久通信功能的嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)必須解決設(shè)計空間的另一個方面，涉及單個設(shè)備與集中式節(jié)點（通常是通過Internet訪問的服務(wù)器）之間的通信以及用戶與嵌入式系統(tǒng)之間的交互。

具有網(wǎng)絡(luò)連接性的小型嵌入式系統(tǒng)的廣泛部署引入了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）一詞。下一節(jié)將討論物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的相關(guān)性。

物聯(lián)網(wǎng)

從概念上講，物聯(lián)網(wǎng)代表著通過大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通信來最大限度地利用大量不同的嵌入式設(shè)備的努力。IoT設(shè)備與普通的嵌入式系統(tǒng)的區(qū)別在于，每個設(shè)備與一個或多個中央節(jié)點之間都存在通信路徑。這些節(jié)點從設(shè)備的海洋中收集數(shù)據(jù)，并且在許多情況下，允許授權(quán)用戶向單個設(shè)備和設(shè)備集合發(fā)出命令。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)過程中，尤其是在開發(fā)將能夠訪問敏感個人信息的設(shè)備（例如家庭安全攝像機）時，負(fù)責(zé)任的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)師必須采取廣泛的措施以確保終端設(shè)備的安全性。IoT設(shè)備通常安裝在消費者的家中，必須最大程度地防止允許惡意行為者控制攝像頭，麥克風(fēng)或安全系統(tǒng)的安全漏洞。盡管系統(tǒng)設(shè)計人員無法防止最終用戶可能犯下的每一個安全性錯誤，但是安全的系統(tǒng)設(shè)計可以通過采取一些步驟來幫助用戶，例如指導(dǎo)選擇強密碼以及抵御常見的攻擊類型，例如蠻力攻擊。密碼猜測。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的示例包括：

由窗戶和門傳感器以及運動傳感器組成的家庭警報系統(tǒng)：這種類型的系統(tǒng)通常包括一個智能手機應(yīng)用程序，可立即通知警報事件。該系統(tǒng)不僅通知警報公司啟動對警報事件的響應(yīng)，還通知房主這些事件的發(fā)生。顯然，這種警報系統(tǒng)必須能夠抵抗使警報系統(tǒng)失效的網(wǎng)絡(luò)攻擊。

電燈和電源插座：提供基于Internet的監(jiān)視和控制功能的許多不同的照明設(shè)備，包括燈泡，燈具和能夠打開和關(guān)閉燈的電源板。與這些設(shè)備中的每一個相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用程序都可以對單個照明進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可以全天調(diào)度照明的開啟和關(guān)閉時間。與物聯(lián)網(wǎng)警報系統(tǒng)一樣，安全性是一項重要功能，必須完全集成到系統(tǒng)設(shè)計中。

智能揚聲器：IoT揚聲器 提供語音界面，允許用戶以自然語言發(fā)出請求。用戶在命令前添加單詞或詞組以“喚醒”揚聲器，例如“ Alexa”或“ Hey Google”，后跟命令或請求。這些設(shè)備可以與各種其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行交互，包括警報系統(tǒng)和照明控制。語音命令的一個示例是“ Alexa，開燈”。

醫(yī)療監(jiān)視和治療：在醫(yī)院和家庭環(huán)境中部署了許多類型的嵌入式設(shè)備，以監(jiān)視患者健康狀況，例如溫度，血氧，心率，呼吸等。這些設(shè)備通常與集中式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，以使醫(yī)療專業(yè)人員能夠跟蹤當(dāng)前和歷史的健康狀況。其他數(shù)字系統(tǒng)執(zhí)行主動治療功能，例如注入藥物和協(xié)助呼吸。

工業(yè)應(yīng)用：嵌入式系統(tǒng)廣泛用于工廠線，能源發(fā)電系統(tǒng)，能源傳輸系統(tǒng)以及石油和天然氣行業(yè)中，以監(jiān)視和控制復(fù)雜的系統(tǒng)和過程。例如，需要各種各樣的傳感器和執(zhí)行器來執(zhí)行對可能長達(dá)數(shù)千英里的輸油管道的運行情況的實時監(jiān)視和管理。

原文標(biāo)題：嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)

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