嵌入式技术

定义

嵌入式技术指围绕嵌入式系统展开的硬件设计、软件编程与系统集成技术的总称。它既不属于纯软件技术，也不属于纯硬件技术，而是研究如何在特定硬件环境上构建可编程软件系统的综合性技术^[4]。其承载对象嵌入式系统，通常被界定为以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，并对功能、可靠性、成本、体积与功耗有严格约束的专用计算机系统^[5]。

与通用计算机不同，嵌入式系统通常不具备大容量硬盘等存储介质，而以静态存储器、动态存储器以及 ROM、EPROM、EEPROM、FLASH 等非易失存储器承担存储任务；其中 FLASH 因可擦写次数多、速度快而被广泛采用^[3]。系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件、嵌入式操作系统与用户应用程序 4 个部分构成，用以实现对被控对象的控制、监视或管理^[1]。

原理

从结构上看，嵌入式系统可划为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。硬件层包含微处理器、存储器、通用设备接口与 I/O 接口，其中核心模块由微处理器、电源电路、时钟电路与存储器组成；中间层也称硬件抽象层或板级支持包，负责隔离上层软件与底层硬件^[6]。系统软件层由 实时操作系统、文件系统、图形界面、网络系统及通用组件构成，应用软件层则是面向具体业务开发的控制程序^[6]。

处理器是系统的运算核心。嵌入式处理器一般分为 3 类：与通用计算机 CPU 对应的嵌入式微处理器，把 CPU、少量 RAM 与 ROM 及外设封装在同一芯片上的嵌入式微控制器（即单片机），以及专门处理离散时间信号的嵌入式数字信号处理器^[7]。数据通路上，传感器输出的模拟信号经模数转换器变为数字量，由处理器运算后经数模转换器输出，驱动执行器动作，构成典型的闭环控制链路^[8]。

操作系统层面，多数嵌入式操作系统采用微内核结构，内核只保留任务调度、任务间通信与同步、内存管理、时钟管理等基本功能，网络、文件系统、图形界面等组件工作在用户态，可按需裁剪^[7]。多任务通过优先级驱动的抢占式调度与同优先级的时间片轮转相结合的方式实现；按时间约束的严格程度，系统又可分硬实时与软实时两类，前者一旦错过截止时间可能引发系统崩溃或致命错误^[7]。

发展历程

嵌入式系统的雏形可追溯至 20 世纪 60 年代应用于航空、航天与工业控制的晶体管计算机系统；第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公司为美国海军舰载轰炸机研制的多功能数字分析仪，由若干体积庞大的机箱组成，已具备数据总线的早期形态^[9]。1971 年 11 月，英特尔推出集成约 2000 只晶体管的 4 位微处理器 Intel 4004，并配以 RAM、ROM 与移位寄存器构成 MCS-4 系统，成为微处理器时代的起点^[10]。

1976 年 Intel 推出的 MCS-48 系列把 8 位 CPU、并行 I/O、定时/计数器、RAM 与 ROM 集成到一块芯片上，形成单片结构，但寻址范围不超过 4 KB，也无串行 I/O^[10]。20 世纪 80 年代初，Intel 在 MCS-48 基础上推出 MCS-51 系列 8 位单片机，建立起典型的总线型体系结构，此后被众多厂商以 80C51 为内核衍生出大量产品^[11]。1982 年首枚数字信号处理芯片问世，1983 年 Intel 又推出集成度达 12 万只晶体管/片的 16 位单片机 MCS-96^[9][10]。

「嵌入式系统」这一提法在 20 世纪 90 年代才被频繁使用。此前 20 年可称为单片机时代，应用者以电子工程师为主，多用汇编语言、很少使用操作系统；90 年代中期起，计算机领域人员大量进入，高级语言、操作系统与集成开发环境逐渐普及，该名称随之流行^[12]。就功能演进而言，嵌入式系统经历了无操作系统、简单操作系统、实时操作系统与面向互联网 4 个阶段，此后又向物联网、云计算与智能化方向延伸^[2]。

应用

嵌入式技术的应用可分为两大类：一类服务于电子系统智能化，如工业控制、汽车电子、家用电器与物联网终端，程序在其中承担核心控制作用；另一类是计算机应用的延伸，如平板电脑与智能手机^[13]。凡带数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车，都使用嵌入式系统，只是多数系统由单个程序完成全部控制逻辑^[3]。

在汽车领域，嵌入式系统用于发动机控制、高级驾驶辅助与线控制动等环节；在工业自动化中，可编程逻辑控制器与运动控制器承担制造装备的调度；医疗设备如输液泵、起搏器与影像诊断设备同样依赖嵌入式计算^[14]。此外，通信设备、智能仪器仪表、机电一体化设备与消费电子产品也是 ARM 平台的典型应用场景^[3]。物联网的感知、数据处理与控制操作也通过嵌入式技术实现，嵌入式设备在其中充当数据采集与执行的节点^[15]。

局限

资源约束是嵌入式技术最基本的限制。许多系统使用内存仅约 128 KB 量级的小型微控制器，其隔离与保护机制往往不够完善，使可靠性与安全性的系统性处理变得困难^[16]。低端微控制器常不具备内存管理单元，无法采用虚拟内存实现进程隔离，只能依靠内存保护单元或软件手段，防护能力有限^[17]。

开发与验证成本也构成制约。嵌入式系统通常面向特定功能、产量有限，开发投入高、上市周期长^[8]。系统本身一般不具备自举开发能力，程序多固化在存储器中，设计完成后用户通常无法修改其中的程序功能，必须借助专门的开发工具与环境才能更新^[1]。在航空、汽车等安全关键领域，嵌入式软件还需满足国际电工委员会 IEC 61508 等标准对开发与测试的认证要求，进一步提高了门槛^[14]。

功耗与实时性之间存在张力。物联网设备多由电池供电，功能增加会推高功耗，需要更大电池或更复杂的电源管理方案^[18]。与此同时，避免非确定性结构是维持实时性的前提，这使依赖虚拟内存的部分通用做法难以直接移植到深度嵌入式平台^[19]。

参见

• 嵌入式系统 —— 嵌入式技术的承载对象，指软硬件可裁剪的专用计算机系统。

• 微控制器 —— 集成 CPU、存储器与外设的单片计算机，是嵌入式系统的常见核心。

• 实时操作系统 —— 为嵌入式应用提供任务调度与时间确定性保障的系统软件。

• 物联网 —— 嵌入式设备联网协同后形成的应用形态。

• 片上系统 —— 把多个功能模块集成到单一芯片的器件形态，推动嵌入式系统小型化。