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嵌入式計(jì)算機(jī)的定義特征及元素組成

2021-04-05 10:08:41
嵌入式計(jì)算機(jī)在日常設(shè)備,辦公用品,汽車(chē),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(zhuān)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(méi)有開(kāi)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(zhuān)用的板載用戶界面(鼠標(biāo),鍵盤(pán)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(mén)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(pán)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(xiě)入數(shù)千次,因此不會(huì)遭受單元降級(jí)和有限的寫(xiě)入/擦除周期的影響。
非易失性存儲(chǔ):硬盤(pán),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(lèi)別。它們使系統(tǒng)通常可以通過(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(chē)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?。諸如計(jì)算器、數(shù)碼相機(jī)、汽車(chē)嵌入式系統(tǒng)(ABS中斷,汽車(chē)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(jué):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(lèi)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(kāi)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(jiàn),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。

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