1.2.4　嵌入式系统

20世纪70年代单片机（单个微处理芯片控制的计算机）的出现，使得汽车、家电、工业设备、通信设备以及成千上万种产品，可以通过内嵌电子装置来获得更佳的性能、更加低廉的产品成本。这些装置已经初步具备了嵌入式的特点。目前，嵌入式系统已经有了30多年的发展历史。

1.嵌入式系统的基本组成

嵌入式系统（Embedded System）是一种为特定应用而设计的专用计算机系统，或者作为设备的一部分。“嵌入”是将微处理器设计和制造在某个设备内部的意思。嵌入式系统是一个外延极广的名词，凡是与工业产品结合在一起，并且具有计算机控制的设备都可以称为嵌入式系统（见图1-20）。

嵌入式系统一般由嵌入式计算机和执行装置组成。嵌入式计算机是整个嵌入式系统的核心；执行装置又称被控对象，它可以接受嵌入式计算机发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微型电动机，当手机处于振动接收状态时打开；执行装置也可以很复杂，如SONY公司的智能机器狗，它集成了多个微型控制电动机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。

2.嵌入式系统的主要特征

（1）系统内核小

由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核软件比计算机的操作系统要小得多。例如，Google公司的安卓（Android）嵌入式操作系统，系统内核软件只有几百千字节，而Windows 7的系统内核达到了25MB。

（2）专用性强

嵌入式系统的个性化很强，其中软件与硬件的结合非常紧密。即使在同一品牌、同一系列的产品中，也需要根据系统硬件的变化，对软件进行增减或修改。同时，针对不同的任务，往往需要对系统软件进行较大更改。

（3）系统精简

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，要求其功能设计及实现上不要过于复杂，这样一方面利于控制产品成本，同时也利于实现产品安全。

（4）固态存储

为了提高嵌入式系统的运行速度和系统可靠性，操作系统和应用软件一般固化在嵌入式系统的计算机ROM（只读存储器）芯片中，在没有特殊设备的情况下，这些核心软件不能修改和删除。

3.嵌入式系统的主要应用

嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域包括以下几方面：

（1）工业控制

基于嵌入式芯片的工业自动化设备近年来获得了长足的发展。嵌入式系统是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径。嵌入式系统主要应用有：工业控制计算机（见图1-21）、工业产品设备（如智能机器人等）、工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等。

（2）交通管理

在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术获得了广泛的应用，内嵌GPS（全球定位系统）模块、GSM（全球移动通信系统）模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭。

（3）其他应用领域

其他应用领域主要有：军工设备（如飞机和导弹中的导航系统等）、商业自动化设备（如自动柜员机、自动售货机、收银机等）、通信设备（如手机、网络设备等）、办公自动化设备（如打印机、复印机等）、家用电器产品（如微波炉、洗衣机、电视机、空调等）。

4.智能手机

早期的手机是一种通信工具，用户不能安装程序，信息处理功能极为有限。而智能手机打破了这些限制，它完全符合计算机关于“程序控制”和“信息处理”的主要定义，而且形成了丰富的应用软件市场，用户可以自由地安装各种应用软件。目前智能手机成了一个移动计算的最佳终端。智能手机作为一种新型的大众化计算机产品，功能越来越多，性能越来越强大，应用领域越来越广泛。

（1）智能手机的功能

智能手机（Smart Phone）是指具有完整的硬件系统，独立的操作系统，用户可以自行安装第三方服务商提供的程序，并可以通过网络来实现无线网络接入的通信设备。智能手机的名称主要是针对手机的功能而言，并不意味着手机有很强大的“智能”。

智能手机既方便随身携带，又为第三方软件提供了性能强大的计算平台，因此是实现移动计算、普适计算的理想工具。很多信息服务可以在智能手机上展开，如个人信息管理（如日程安排、任务提醒等）、网页浏览、电子阅读、交通导航、程序下载、股票交易、移动支付、移动电视、视频播放、游戏娱乐等。

（2）智能手机的操作系统

智能手机的操作系统有：谷歌公司开发的Android（安卓）、苹果公司开发的iOS、微软公司开发的Windows Phone、Linux联盟和英特尔等公司共同开发的Tizen（泰泽）等。不同操作系统手机之间的应用软件互不兼容，而相同系统的手机软件基本通用。因为可以安装第三方软件，所以智能手机有丰富的扩展功能。

Android智能手机操作系统由谷歌公司和开放手持设备联盟联合研发。安卓采用开放源代码（公开操作系统核心程序的源代码）形式发放，而且在性能和其他方面的表现也非常优秀，所以大量智能手机生产商采用安卓操作系统。

（3）智能手机的基本部件

智能手机不仅要打电话、发短信，它还要处理音频、视频，甚至要支持多任务处理，这需要一块性能强大、功耗低、具有多媒体处理能力的集成电路芯片。在智能手机中，一般采用主处理器（CPU）和从处理器（一般为专用芯片）双芯片或多芯片设计。主处理器用于运行操作系统和应用软件，从处理器主要完成语音信号的A/D转换、D/A转换、数字语音信号的编码和解码等。

要实现智能手机的强大功能，需要大容量的存储芯片。在智能手机中，往往采用闪存芯片作为存储器（外存），并且允许用户通过手机的SD（安全数字存储卡）等接口实现存储器的扩充。

智能手机受到空间尺寸和电池容量的限制，屏幕一般较小。但是高端智能手机提供了令人满意的屏幕分辨率，如苹果7 Plus的屏幕尺寸为5.5英寸，分辨率为1920×1080像素，这为显示信息的放大和投影提供了良好的基础。

（4）智能手机中的传感器

随着智能手机广泛应用到日常生活中，人们对智能手机的要求也越来越多。为了实现各种不同功能，智能手机中采用了大量的各种传感器，更好地满足了人们的各种交互需求。

智能手机可以实现自动旋转屏幕，这主要是依靠加速度传感器（重力感应器）的功能。加速度传感器能够测量加速度，可以监测手机加速度的大小和方向，因此能够通过加速度传感器的检测数据实现自动旋转屏幕功能，以及应用在一些游戏中。

三轴陀螺仪也是智能手机中常见的传感器，它用于检测手机的各种动作，当然最主要的还是测量角速度，这对于手机游戏有很好的帮助。

智能手机中还会用到距离感应器，能够通过红外光来判断物体的位置。如接通电话后，自动关闭屏幕来节省手机电力。

手机中的气压传感器能够检测大气压的变化，实现当前高度检测以及辅助GPS定位等功能。

手机中的光线感应器主要用来检测周围环境光线、调节手机屏幕的亮度、提升电池续航能力。

磁力计（电子罗盘）能够检测磁场强度，主要用于电子指南针、帮助GPS定位等。

智能手机硬件电路中，功耗最大的设备是：CPU、无线Modem、液晶屏幕、视频编码/解码芯片等。在设计中如何降低它们的功耗是一个很重要的问题。因此，必须配备高容量的电池。