嵌入式系统定义分类及架构解析

1、什么是嵌入式系统？尽可能多地给出不同的定义（并说明理由）。

嵌入式系统是嵌入在更大电子设备中的计算系统，反复执行单一（或一小部分）功能，且常常不被设备用户注意到。此定义虽不太专业精确，但能概括其基本特征。另外，从某种意义上，也可认为嵌入式系统是除桌面计算机和其他高配置计算机之外的计算系统，理由是其设计目标、性能要求和设计约束与一般计算系统有显著差异。

2、识别我们周围的一些嵌入式系统，并说明将它们归类为嵌入式系统的理由。

• 周围常见的嵌入式系统 有手机、洗衣机、汽车防抱死制动系统等。

• 手机 可接收和传输信号，实现两人间通信，还能收发短信、拍照等。虽功能多样，但不能进行复杂科学计算，可高效完成特定通信等功能，符合嵌入式系统特点。

• 洗衣机 有嵌入式控制器，可接收用户旋钮设置输入，并重复执行洗涤任务，属于单一功能嵌入式系统。

• 汽车防抱死制动系统 能根据车辆行驶状况进行制动控制，与物理环境交互，保障行车安全，满足嵌入式系统与物理环境交互、可靠等特性。

3、区分单功能和多功能嵌入式系统，并分别举例。如何区分多功能嵌入式系统和普通桌面计算机？

嵌入式系统分类及特点

单功能嵌入式系统

• 通常重复执行单一任务
• 示例：洗衣机的嵌入式控制器
• 根据旋钮设置接收用户输入
• 执行洗涤工作

多功能嵌入式系统

• 除主要功能外还有其他多种功能
• 示例：手机
• 接收和传输信号实现两人通信
• 收发短信
• 拍照
• 收听广播
• 播放音乐
• 连接互联网

多功能嵌入式系统与桌面计算机的区别

特点	多功能嵌入式系统	普通桌面计算机
功能多样性	虽功能多样，但不能用于执行复杂科学计算	是通用计算系统，可进行多种复杂操作
可编程性	无法像桌面计算机那样针对此目的进行编程	可进行多种复杂操作

4、识别一些可以作为与环境交互的嵌入式系统一部分的仪器。

传感器和执行器可用于与环境交互，例如：

• 传感器 ：如房间温度监测系统中的温度传感器，用于采集环境温度数据。
• 执行器 ：如可根据温度读数进行工作的加热/冷却设备，用于调节环境温度。

5、区分主动系统和反应系统，并举例说明。

反应系统与环境持续交互，其行为很大程度上取决于环境中发生的事件，通常有一组状态，会根据事件发生进行状态转换。例如，通过传感器接收到火灾警报后立即启动灭火器的系统。主动系统可能不具有交互性，一旦启动，可自行工作以产生输出。

6、解释嵌入式系统的主要特点。

嵌入式系统的主要特点

嵌入式系统的主要特点如下：

1. 单功能系统 ：多数嵌入式系统反复执行单一任务，虽也有多功能的，但无法像桌面电脑那样进行复杂科学计算。
2. 与物理环境交互 ：通过传感器收集环境数据，用执行器控制环境参数。
3. 用户界面 ：常包含专用用户界面，如按钮、发光二极管、方向盘等，让普通用户感觉不到计算机和信息处理。
4. 可靠系统 ：常用于安全关键应用，要求高度可靠，确保易维护性、高可用性、环境安全性和信息处理的安全性。
5. 严格受限系统 ：设计受多方面限制，如成本要低，尺寸、性能和功率预算对目标实现的选择有严格约束。

7、什么是设计指标？请列举在嵌入式系统设计中需要考虑的各种设计指标。

设计指标

设计指标是嵌入式系统设计师想要实现的优化目标。在嵌入式系统设计中，需要考虑以下设计指标：

• 系统成本

• 包括非重复性工程成本和重复性成本。

• 尺寸

• 硬件为硅面积，软件为代码大小。

• 性能

• 指设计系统的速度。

• 功耗

• 系统功耗及散热应很低。

• 设计灵活性

• 指规格变化时修改系统所需的工作量。

• 设计周转时间

• 从规格制定到产品上市所需的时间。

• 系统可维护性

• 指系统投入使用后维护和监控其健康状况的难易程度。

• 功能测试与验证

• 指检查系统功能并确认其正确运行的能力。

8、系统成本这一设计指标包含哪些组成部分？从基于通用处理器的设计转变为专用设计时，这些组成部分的贡献会如何变化？

系统成本由非重复性工程（NRE）成本和重复性成本两种类型组成。

• NRE成本 ：是系统设计阶段产生的一次性支出。
• 在基于通用处理器的设计中，由于可能使用现成的通用处理器，NRE成本相对较低；

• 而在应用特定设计中，如设计VLSI芯片，NRE成本非常高，因为包括生成掩模的过程。

• 重复性成本 ：一旦完成掩模制备，就可以在大硅片上复制以生产大量相似芯片，降低了单位成本，重复性成本占比相对降低。

9、有哪些令人信服的因素使功耗成为一个重要问题？

电池续航在嵌入式应用中的重要性

许多嵌入式应用围绕电池构建，因此电池续航是衡量其可接受性的关键因素。需要考虑的重要问题包括：

• 功耗限制
• 尺寸限制
• I/O 要求
• 工作占空比

此外，还涉及一些实际考量，如：

• 充电便利性
• 设备尺寸
• 运行时长
• 设备所需功率
• I/O 设备类型