嵌入式計(jì)算機(jī)的定義特征及元素組成

嵌入式計(jì)算機(jī)在日常設(shè)備，辦公用品，汽車，工業(yè)，醫(yī)療和農(nóng)業(yè)中無(wú)處不在。從計(jì)算器到電話，相機(jī)、電梯，交通信號(hào)燈，工廠控制器和核電站控制系統(tǒng)，幾乎所有現(xiàn)代設(shè)備中都存在物理嵌入式系統(tǒng)。這些是什么？它們?nèi)绾芜\(yùn)作？嵌入式計(jì)算機(jī)有哪些應(yīng)用程序？
嵌入式計(jì)算機(jī)可以廣義地定義為使用計(jì)算機(jī)硬件和軟件執(zhí)行特定功能的任何計(jì)算機(jī)，與現(xiàn)代臺(tái)式計(jì)算機(jī)和服務(wù)器所進(jìn)行的一般處理相反。這些嵌入式系統(tǒng)的專用特性使它們能夠利用輕量級(jí)的軟件或固件基礎(chǔ)和板載ASICS的優(yōu)勢(shì)，以最大程度地降低功耗和硬件要求。
現(xiàn)代處理器包含用于加密，數(shù)據(jù)和視頻圖形處理的眾多集成加速器。
大多數(shù)嵌入式計(jì)算機(jī)的幾乎所有組件都放置在單個(gè)PCB或主板上。由于具有較少的可更換組件，例如RAM，CPU和存儲(chǔ)，嵌入式板看起來(lái)與傳統(tǒng)的消費(fèi)型主板截然不同。通常嵌入式板上沒有開槽的組件，大多數(shù)組件都焊接在了CPU上。
嵌入式計(jì)算機(jī)的定義特征可以分為四個(gè)方面：
1、體積?。和ǔ２捎脝蝹€(gè)高密度PCB設(shè)計(jì)，以最大程度地提高空間效率
2、較低功率的組件：具有較低TDP的高能效處理器，用于被動(dòng)或最小冷卻，以消除風(fēng)扇和移動(dòng)組件。
3、最小的可升級(jí)性或擴(kuò)展性：很少有插槽組件限制了其初始設(shè)計(jì)和功能之外的可升級(jí)性和擴(kuò)展性。
4、硬件成本低：放棄了用于焊接組件的擴(kuò)展插槽，而SoC降低了總體成本和組件復(fù)雜性。針對(duì)這些嵌入式板的低成本批量生產(chǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。
嵌入式系統(tǒng)必須針對(duì)低功耗，代碼復(fù)雜性，尺寸大小，重量和成本進(jìn)行優(yōu)化。許多人甚至缺乏專用的板載用戶界面（鼠標(biāo)，鍵盤和屏幕），這些用戶界面主要是通過(guò)遠(yuǎn)程管理界面，安全外殼甚至直接固件更新來(lái)控制的。
典型的嵌入式計(jì)算機(jī)主要由以下元素組成：
CPU和微控制器（一個(gè)或多個(gè)）：含有晶體管和算術(shù)處理單元（ALU的）的邏輯門在單個(gè)芯片內(nèi)包裝的－它們是嵌入式系統(tǒng)。處理器和控制器的腦中是負(fù)責(zé)執(zhí)行主系統(tǒng)的操作和計(jì)算從各級(jí)緩存（L1，L2，L3）和系統(tǒng)內(nèi)存（RAM）中獲取數(shù)據(jù)。
CPU高速緩存（L1，L2，L3）：由于其針對(duì)極速的優(yōu)化，占據(jù)了裸片的相當(dāng)大一部分，它使用單級(jí)單元架構(gòu)（SLC）來(lái)提高速度。這意味著每個(gè)單元都包含1位數(shù)據(jù)，這是由于此數(shù)據(jù)以及該高速存儲(chǔ)器的高晶體管數(shù)所致。在CPU上，此高速緩存僅限于極少量，其中L1高速緩存最快，但僅限于00 KB，L2？1024KB和L3？2－16MB。此緩存的速度和與CPU的接近程度對(duì)處理器的性能至關(guān)重要。
系統(tǒng) 內(nèi)存（RAM）：比緩存慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，但比非易失性存儲(chǔ)（如硬盤驅(qū)動(dòng)器和固態(tài)NAND驅(qū)動(dòng)器）快很多倍，并且更具彈性，系統(tǒng)內(nèi)存用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的應(yīng)用程序，以便快速訪問(wèn)和傳輸?shù)教幚砥骶彺?。?dāng)應(yīng)用程序四處移動(dòng)數(shù)據(jù)并執(zhí)行復(fù)雜的操作時(shí)，此內(nèi)存每分鐘寫入數(shù)千次，因此不會(huì)遭受單元降級(jí)和有限的寫入／擦除周期的影響。
非易失性存儲(chǔ)：硬盤，SSD，NAND和其他非易失性存儲(chǔ)技術(shù)是系統(tǒng)中最慢但容量最大的存儲(chǔ)。這里存儲(chǔ)了較大的系統(tǒng)文件和數(shù)據(jù)文件，供系統(tǒng)正常使用。
CMOS－RAM：該組件負(fù)責(zé)存儲(chǔ)重要的系統(tǒng)配置和實(shí)時(shí)信息。由小型紐扣電池供電，可以關(guān)閉系統(tǒng)電源，而又不會(huì)失去其計(jì)時(shí)功能和系統(tǒng)喚醒功能。
I ／ O端口：從以太網(wǎng)RJ45端口到3．5mm音頻插孔的任何連接都屬于此類別。它們使系統(tǒng)通?？梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口（例如USB和HDMI）接受和處理外部輸入。
應(yīng)用實(shí)例
可以使用嵌入式計(jì)算機(jī)的例子很多，從小型的單用途設(shè)備如計(jì)算器到復(fù)雜的系統(tǒng)如汽車巡航控制。它們現(xiàn)在無(wú)處不在，是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢杀苊獾摹ＶT如計(jì)算器、數(shù)碼相機(jī)、汽車嵌入式系統(tǒng)（ABS中斷，汽車警報(bào)器，發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器系統(tǒng)）、自動(dòng)售貨機(jī)、電梯、影印機(jī)、印表機(jī)、全球定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)，調(diào)制解調(diào)器，路由器，接入點(diǎn)）、電子游戲機(jī)
家用電器（交流電，微波爐，冰箱）。
一些嵌入式系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在更極端的條件下運(yùn)行，例如工業(yè)級(jí)系統(tǒng)就是這種情況，要求寬工作溫度，電場(chǎng)隔離，抗振性等等。企業(yè)級(jí)系統(tǒng)要求關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)具有計(jì)算能力，可靠性和冗余性。
機(jī)器視覺：包括所有工業(yè)和非工業(yè)應(yīng)用，其中功能強(qiáng)大的硬件和受過(guò)訓(xùn)練的軟件的結(jié)合為基于圖像感測(cè)數(shù)據(jù)的捕獲和分析的設(shè)備執(zhí)行功能提供了操作指導(dǎo)。
工廠自動(dòng)化：使用實(shí)時(shí)或近時(shí)計(jì)算技術(shù)來(lái)控制和監(jiān)視工業(yè)過(guò)程，設(shè)備和機(jī)器。通常，任何重復(fù)功能都是自動(dòng)化的理想選擇，使系統(tǒng)通過(guò)定義明確的過(guò)程運(yùn)行，以將人與人之間的互動(dòng)減少到最低限度。
數(shù)字標(biāo)牌：使用通過(guò)LED面板，高分辨率顯示器和投影儀之類的屏幕廣播的數(shù)字內(nèi)容。
我們可以看出幾乎生活中的所有電子產(chǎn)品都依賴于嵌入式系統(tǒng)。憑借可靠的嵌入式低成本設(shè)計(jì)，它們始終處于開啟狀態(tài)。大部分時(shí)間都隱藏在面板和光亮的外觀后面，而肉眼卻看不見，但它們?yōu)樗鞋F(xiàn)代技術(shù)和互連的系統(tǒng)提供了動(dòng)力。嵌入式智能設(shè)備的智能使用和進(jìn)步將繼續(xù)為我們的生活提高能力和效率。