嵌入式系統教程

嵌入式系統是一種專門設計的計算系統，它將微處理器、儲存裝置、輸入輸出裝置和專用軟體組合在一個單元中。嵌入式系統旨在在一個大型電子或機械系統中執行專用功能。它被稱為嵌入式系統，因為它被整合（或嵌入）為複雜系統或裝置的一部分。

嵌入式系統廣泛應用於各種應用中，從行動式裝置（如智慧手錶、計算器、智慧手機等）到大型電氣或機械裝置（如家用電器、機器人、自動化系統、車輛、航天器等）。

本嵌入式系統教程旨在解釋嵌入式系統的基本概念，面向初學者和專業人士。

什麼是嵌入式系統？

嵌入式系統可以定義為一種為專門功能設計的數 據處理工具。它基本上是硬體和軟體的組合，用於執行特定功能。在大多數情況下，嵌入式系統整合到大型系統中以執行專用功能。

根據架構的不同，嵌入式系統可以具有固定功能或可程式設計功能。如今，嵌入式系統已廣泛應用於各種應用中，例如消費電子產品、汽車、工業機械、醫療裝置等等。

嵌入式系統的組成部分

一個典型的嵌入式系統包含以下三個主要部分：

• 硬體- 這些是嵌入式系統的物理元件，負責根據指令執行操作。嵌入式系統的硬體元件包括微處理器、儲存晶片、訊號轉換器和輸入輸出外設。
• 軟體- 這些是為定義嵌入式系統功能而設計的程式集。不同的嵌入式系統需要不同的軟體，其功能和複雜性可能會有所不同。
• 作業系統- 此元件負責透過執行軟體來定義嵌入式系統的工作方式。通常，嵌入式系統使用 RTOS（即時作業系統）。

嵌入式系統的框圖

典型嵌入式系統的框圖如下所示：

其不同元件的功能解釋如下：

• 感測器- 感測器充當嵌入式系統中的輸入元件，它們將感測到的物理資料轉換為電訊號。
• ADC- ADC 代表模數轉換器。它將來自感測器的模擬訊號轉換為數字訊號。
• 處理器- 這是嵌入式系統的中央處理單元。它根據指令處理輸入訊號以產生結果。
• 儲存器- 在嵌入式系統中，提供儲存晶片來儲存軟體和輸入輸出資料。
• DAC- DAC 代表數模轉換器。此元件負責將處理器的數字輸出轉換為模擬訊號。
• 執行器- 這些是嵌入式系統的執行元件。它們將處理器的電訊號輸出轉換為機械運動或動作。

嵌入式系統如何工作？

嵌入式系統是一種小型、低功耗、低成本的計算機，設計用於作為大型機器或系統的一部分。因此，它的工作方式與普通計算機相同。

此處解釋了嵌入式系統的逐步工作原理：

步驟 1- 透過感測器讀取外部輸入。

步驟 2- 將這些感測器輸入轉換為處理器可讀格式。

步驟 3- 處理器執行指令並將輸入轉換為有用的輸出。

步驟 4- 將處理器的輸出轉換為執行器可讀格式。

步驟 5- 執行器讀取輸出並執行操作。

嵌入式系統的特點

以下是嵌入式系統的一些關鍵特徵：

• 嵌入式系統是特定於任務的，旨在執行專用任務。
• 嵌入式系統將硬體、軟體和韌體組合在一個單元中。
• 嵌入式系統可以整合到大型系統中以執行特定功能。
• 嵌入式系統通常使用即時作業系統。
• 這些系統不需要使用者操作。
• 嵌入式系統旨在高效地執行在一定的時限內。

嵌入式系統的分類

嵌入式系統的分類可以根據其功能和效能進行，如下所示。

基於功能的嵌入式系統型別

根據其功能，嵌入式系統可以分為以下幾類：

移動嵌入式系統

移動嵌入式系統體積小巧，便於攜帶。這些嵌入式系統通常用於智慧手機、筆記型電腦、計算機、數碼相機、智慧手錶等。

即時嵌入式系統

即時嵌入式系統旨在在確定的時間間隔內產生輸出。這些系統執行時間關鍵型功能，廣泛應用於醫療系統、工業自動化、交通控制系統等。

聯網嵌入式系統

聯網嵌入式系統設計用於網路連線系統，例如安全系統、銷售點系統、遠端監控系統等。

獨立嵌入式系統

獨立嵌入式系統設計為獨立執行，無需主機系統或計算機。此類嵌入式系統的示例包括電子手錶、MP3 播放器、計算器等。

基於效能要求的嵌入式系統型別

根據其效能要求，嵌入式系統可以分為以下幾類：

小型嵌入式系統

小型嵌入式系統使用 8 位或更小的微處理器或微控制器設計。它們在記憶體和處理能力方面受到限制。但是，這些系統具有成本效益，用於交通控制器、玩具、智慧電視遙控器、智慧卡等。

中型嵌入式系統

中型嵌入式系統使用 16 位或 32 位微處理器或控制器。這些系統比小型系統相對更復雜且速度更快。它們通常用於智慧家用電器、醫療裝置和自動化系統。

複雜型嵌入式系統

複雜型嵌入式系統也稱為複雜嵌入式系統。它們使用 64 位或更大的微處理器或控制器設計。這些系統在記憶體和處理能力方面功能強大。但是，這些系統非常複雜且價格昂貴。這些嵌入式系統的常見應用包括高階醫療裝置、機器人技術、安全關鍵系統等。

嵌入式系統的現代趨勢

嵌入式系統現已成為所有數字智慧裝置不可或缺的一部分，從簡單的電子手錶到複雜的機器人系統。

以下幾點突出了嵌入式系統在現代世界的貢獻：

• 嵌入式系統使即時資料處理更加先進和快速。這是無人機和其他航空系統等複雜系統的重要需求。
• 嵌入式系統是物聯網裝置（如可穿戴裝置、智慧家電等）的核心。
• 嵌入式系統正在被賦予人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 等現代技術。這些技術為嵌入式系統提供了自主決策能力。
• 嵌入式系統還配備了邊緣計算，透過靠近資料來源處理資料來減少延遲和頻寬。這項技術在即時應用中非常重要。
• 嵌入式系統正在提供 4G、5G 等先進的網路技術，以實現更高效的資料通訊。
• 嵌入式系統還正在與量子計算整合，以解決複雜問題、最佳化資料處理、增強安全性等。
• 嵌入式系統正在實現更精確的 3D 列印，並透過即時監控改進列印過程。

嵌入式系統的應用

嵌入式系統是所有智慧裝置或系統的關鍵元件。此處列出了嵌入式系統在各個領域的常見應用：

• 汽車- 在現代汽車和車輛中，嵌入式系統用於執行各種功能，例如安全、導航、資訊娛樂、巡航控制、發動機健康監控等等。
• 智慧手機- 在典型的智慧手機中，使用了大量的嵌入式系統。這些系統負責執行不同的功能，從觸控式螢幕感應到訊號傳輸、相機控制、語音錄音、檢測外圍裝置和除錯。
• 工業- 嵌入式系統是工業中機器人和自動化系統的基本組成部分。它們用於處理連線到工業機械的感測器的數 據，併為其平穩執行生成操作指令。
• 醫療裝置- 心臟監護儀、呼吸機等先進醫療裝置的功能取決於嵌入式系統。在這些裝置中，嵌入式系統自動化其操作並收集來自感測器的數 據並將它們轉換為有意義的結果，幫助醫務人員避免錯誤並準確地解釋患者的病情。
• 可穿戴裝置- 嵌入式系統也用於智慧手錶、健身腕帶等可穿戴裝置。這些系統完全負責將這些裝置與其他物聯網裝置（如網際網路和智慧手機）連線起來。

嵌入式系統術語

本節簡要定義了一些與嵌入式系統相關的非常重要的術語。這些定義在本教程中將對讀者非常有幫助。

1. 嵌入式處理器

專門設計用於嵌入式系統的微處理器稱為嵌入式處理器。這些處理器旨在在處理能力、效率和即時操作方面提供卓越的效能。

2. 微控制器

微控制器，也稱為微控制器單元 (MCU)，是實現單個積體電路晶片上的小型計算機。

典型的微控制器包含微型計算機的所有基本元件，例如微處理器、儲存單元、I/O 外設和軟體。8085 和 8086 是簡單微控制器的常見示例。

3. 微處理器

在嵌入式系統中，微處理器是執行指令和處理資料的核心處理單元。它是一個具有資料處理電路的積體電路晶片。

4. 8051 微控制器

8051 微控制器是英特爾公司於 1980 年開發的一種單片微控制器，用於嵌入式系統。它也稱為Intel MCS-51。

8051 是一款 8 位微控制器，因為它一次可以處理 8 位資料。它通常用於遙控器、機器人和電信應用等嵌入式系統中。

5. 片上系統 (SoC)

片上系統 (SoC) 是一種積體電路 (IC) 設計，它將電子裝置或系統的所有主要元件（如處理器、記憶體、輸入/輸出外設等）整合到單個晶片上。它沒有任何單獨的元件安裝在主機板上。

6. 架構

嵌入式系統的基本結構和設計，定義了它如何處理指令和資料以及其元件如何通訊，被稱為嵌入式系統的架構。嵌入式系統常用的架構包括哈佛架構和馮諾依曼架構。

7. I/O 程式設計

在嵌入式系統 I/O 程式設計中，指的是嵌入式系統與外部裝置（如感測器、顯示器、電機等）之間交換資料和指令的過程。

8. 組合語言

組合語言是一種低階計算機程式語言。在這種程式語言中，指令使用與機器語言程式碼等效的縮寫名稱編寫。組合語言主要用於編寫微處理器和微控制器的程式。

9. 暫存器

在嵌入式系統中，暫存器就是一個用於儲存處理所需指令和資料的小型高速臨時儲存裝置。

10. 暫存器組/堆疊

在嵌入式系統中，暫存器組是 RAM（隨機存取儲存器）的一部分，用於儲存程式指令。而暫存器堆疊是 RAM 中的一部分，用於臨時儲存資訊並使用堆疊指標暫存器訪問這些資訊。

11. 指令

指令是計算機或嵌入式系統的微處理器可以理解和執行的計算機程式碼。這些指令通常使用 0 和 1 的二進位制語言編寫。

12. 編址方式

指定指令的運算元或記憶體中資料位置的方法稱為編址方式。因此，編址方式定義瞭解釋和操作指令運算元的地址欄位並在其實際執行之前進行處理的規則。在嵌入式系統中，立即定址、直接定址、間接定址和索引定址是一些常用的編址方式。

13. 特殊功能暫存器 (SFR)

特殊功能暫存器 (SFR)是嵌入式系統中監控和控制系統操作各個方面的暫存器。這些暫存器與某些特殊功能密切相關，並提供微處理器和外設之間的通訊介面。

14. 定時器和計數器

定時器和計數器是嵌入式系統的兩個重要功能。定時器用於在嵌入式系統中測量時間和建立時間延遲。而計數器用於計算系統外部發生的事件。

15. 中斷

在嵌入式系統中斷中，是微處理器產生的訊號，用於停止當前正在執行的程式碼或程式。這些訊號在嵌入式系統中對於實現即時響應非常重要。

16. 即時作業系統 (RTOS)

即時作業系統 (RTOS) 是專門為即時處理資料和事件而設計的作業系統。這些作業系統被程式設計為在給定的時間約束內完成任務或根據事件的需求完成任務。因此，它們也被稱為事件驅動作業系統。RTOS 廣泛用於嵌入式系統中，以根據即時事件執行任務。

學習嵌入式系統的先決條件

這是一個關於嵌入式系統的入門教程。掌握此處解釋的概念的主要先決條件是對電子學、邏輯閘、計算機硬體和基本計算機程式設計有基本的瞭解。

讀者還應該具備組合語言、C 或 C++ 程式設計的工作知識，因為大多數嵌入式系統都是使用這些語言程式設計的。

誰應該學習嵌入式系統？

本嵌入式系統教程是為電子工程專業的學生設計的，他們希望學習嵌入式系統和 8051 微控制器的基礎到高階概念。

由於本教程涵蓋了與嵌入式系統相關的所有重要概念，因此大學生可以使用它作為學習資源，專業人士可以使用它作為參考。

嵌入式系統的常見問題

在本節中，我們收集了一些關於嵌入式系統的最常見問題 (FAQ)及其答案。

“嵌入式”是什麼意思？

在計算技術領域，“嵌入式”一詞定義為將計算機系統設計和實現為大型系統或裝置的整合部分。

嵌入式系統的示例有哪些？

一些常見的嵌入式系統示例包括：

• MP3 播放器
• 遙控器
• 智慧手錶
• 健身追蹤器和手環
• 車輛中的資訊娛樂和發動機監控系統
• 家庭自動化系統等。

在電子與通訊工程 (ECE) 中，什麼是嵌入式系統？

在電子與通訊工程 (ECE) 中，嵌入式系統可以定義為能夠執行特定功能並作為大型電子系統一部分的計算裝置。

在物聯網 (IoT) 中，什麼是嵌入式系統？

在物聯網 (IoT) 中，嵌入式系統是一個小型計算機，它整合到另一個計算裝置中以執行特定功能並與其他物聯網裝置通訊。

嵌入式系統的用途是什麼？

嵌入式系統用於在各個領域執行不同的功能。例如：

• 在工業中，它們用於監控流程和控制機械。
• 在通訊系統中，它們用於管理協議、加密、解密、信令、路由等。
• 在汽車中，嵌入式系統用於資訊娛樂、發動機管理、導航和控制安全系統。

電視機是嵌入式系統嗎？

不是，電視機不是嵌入式系統，而是各種嵌入式系統的集合。在電視機中，嵌入式系統用於處理影片訊號、控制音量、調諧接收訊號等等。

PCB 是嵌入式系統嗎？

不是，PCB（印刷電路板）不是嵌入式系統。相反，它是嵌入式系統的一個元件，用於將嵌入式系統的其他硬體元件連線在一起。

三種嵌入式裝置是什麼？

三種最常見的嵌入式裝置是：智慧手機、智慧手錶和智慧電視。

Arduino 是嵌入式系統嗎？

是的，Arduino 是一個嵌入式系統。它由一個微處理器、一個記憶體晶片和連線在一個單板上輸入/輸出外設組成。

為什麼嵌入式系統有用？

嵌入式系統可以設計用於專用功能。它們在功能方面可靠。它們功耗低，並且可以根據事件執行功能。

嵌入式系統的優點是什麼？

嵌入式系統的一些主要優點包括：

• 嵌入式系統在功能方面高度可定製。
• 它們的設計是為了最佳化效能。
• 嵌入式系統體積小巧，經濟高效。
• 嵌入式系統執行所需功率非常低。

什麼是即時嵌入式系統？

即時嵌入式系統是一種由 RTOS（即時作業系統）驅動的嵌入式系統。這些系統能夠在指定的時間約束內執行操作。

即時嵌入式系統的示例包括巡航控制、自動駕駛儀飛行控制、汽車中的自動駕駛系統等。