嵌入式计算机在日常设备,办公用品,汽车,工业,医疗和农业中无处不在。从计算器到电话,相机、电梯,交通信号灯,工厂控制器和核电站控制系统,几乎所有现代设备中都存在物理嵌入式系统。这些是什么?它们如何运作?嵌入式计算机有哪些应用程序?

 

嵌入式计算机可以广义地定义为使用计算机硬件和软件执行特定功能的任何计算机,与现代台式计算机和服务器所进行的一般处理相反。这些嵌入式系统的专用特性使它们能够利用轻量级的软件或固件基础和板载ASICS的优势,以最大程度地降低功耗和硬件要求。

 

现代处理器包含用于加密,数据和视频图形处理的众多集成加速器。

 

大多数嵌入式计算机的几乎所有组件都放置在单个PCB或主板上。由于具有较少的可更换组件,例如RAM,CPU和存储,嵌入式板看起来与传统的消费型主板截然不同。通常嵌入式板上没有开槽的组件,大多数组件都焊接在了CPU上。

 

嵌入式计算机的定义特征可以分为四个方面:

1、体积小:通常采用单个高密度PCB设计,以最大程度地提高空间效率

2、较低功率的组件:具有较低TDP的高能效处理器,用于被动或最小冷却,以消除风扇和移动组件。

3、最小的可升级性或扩展性:很少有插槽组件限制了其初始设计和功能之外的可升级性和扩展性。

4、硬件成本低:放弃了用于焊接组件的扩展插槽,而SoC降低了总体成本和组件复杂性。针对这些嵌入式板的低成本批量生产进行了优化。

 

嵌入式系统必须针对低功耗,代码复杂性,尺寸大小,重量和成本进行优化。许多人甚至缺乏专用的板载用户界面(鼠标,键盘和屏幕),这些用户界面主要是通过远程管理界面,安全外壳甚至直接固件更新来控制的。

 

典型的嵌入式计算机主要由以下元素组成:

CPU和微控制器(一个或多个):含有晶体管和算术处理单元(ALU的)的逻辑门在单个芯片内包装的-它们是嵌入式系统。处理器和控制器的脑中是负责执行主系统的操作和计算从各级缓存(L1,L2,L3)和系统内存(RAM)中获取数据。

 

CPU高速缓存(L1,L2,L3):由于其针对极速的优化,占据了裸片的相当大一部分,它使用单级单元架构(SLC)来提高速度。这意味着每个单元都包含1位数据,这是由于此数据以及该高速存储器的高晶体管数所致。在CPU上,此高速缓存仅限于极少量,其中L1高速缓存最快,但仅限于00 KB,L2?1024KB和L3?2-16MB。此缓存的速度和与CPU的接近程度对处理器的性能至关重要。

 

系统 内存(RAM):比缓存慢一个数量级,但比非易失性存储(如硬盘驱动器和固态NAND驱动器)快很多倍,并且更具弹性,系统内存用于存储正在运行的应用程序,以便快速访问和传输到处理器缓存。当应用程序四处移动数据并执行复杂的操作时,此内存每分钟写入数千次,因此不会遭受单元降级和有限的写入/擦除周期的影响。

 

非易失性存储:硬盘,SSD,NAND和其他非易失性存储技术是系统中最慢但容量最大的存储。这里存储了较大的系统文件和数据文件,供系统正常使用。

 

CMOS-RAM:该组件负责存储重要的系统配置和实时信息。由小型纽扣电池供电,可以关闭系统电源,而又不会失去其计时功能和系统唤醒功能。

 

I / O端口:从以太网RJ45端口到3.5mm音频插孔的任何连接都属于此类别。它们使系统通常可以通过标准化接口(例如USB和HDMI)接受和处理外部输入。

 

应用实例

可以使用嵌入式计算机的例子很多,从小型的单用途设备如计算器到复杂的系统如汽车巡航控制。它们现在无处不在,是我们日常生活中不可避免的。诸如计算器、数码相机、汽车嵌入式系统(ABS中断,汽车警报器,发动机传感器系统)、自动售货机、电梯、影印机、印表机、全球定位系统、网络设备(交换机,调制解调器,路由器,接入点)、电子游戏机

 

家用电器(交流电,微波炉,冰箱)。

 

一些嵌入式系统被设计为在更极端的条件下运行,例如工业级系统就是这种情况,要求宽工作温度,电场隔离,抗振性等等。企业级系统要求关键任务服务具有计算能力,可靠性和冗余性。

 

机器视觉:包括所有工业和非工业应用,其中功能强大的硬件和受过训练的软件的结合为基于图像感测数据的捕获和分析的设备执行功能提供了操作指导。

 

工厂自动化:使用实时或近时计算技术来控制和监视工业过程,设备和机器。通常,任何重复功能都是自动化的理想选择,使系统通过定义明确的过程运行,以将人与人之间的互动减少到最低限度。

 

数字标牌:使用通过LED面板,高分辨率显示器和投影仪之类的屏幕广播的数字内容。

 

 我们可以看出几乎生活中的所有电子产品都依赖于嵌入式系统。凭借可靠的嵌入式低成本设计,它们始终处于开启状态。大部分时间都隐藏在面板和光亮的外观后面,而肉眼却看不见,但它们为所有现代技术和互连的系统提供了动力。嵌入式智能设备的智能使用和进步将继续为我们的生活提高能力和效率。