嵌入式系统的发展史/特征/结构/类型/机遇/挑战

在ASPENCORE在深圳电子智能制造展（EIMS）同期举办的“深圳国际工业4.0技术与应用峰会”上，恩智浦边缘处理业务工业边缘计算产品市场经理高磊分享了“嵌入式系统与工业自动化——安全实时的系统”主题演讲，内容包括三个部分：嵌入式系统与工业自动化；嵌入式系统的工业和技术挑战；NXP工业4.0嵌入式系统解决方案更新。

嵌入式系统与工业自动化

他指出，在过去的几年中，整个嵌入式系统市场有了长足的发展。随着物联网和工业物联网的出现，嵌入式系统技术已成为智能和工业物联网生态系统快速发展的推动者。广泛、多样且高度分散的嵌入式系统的共同发展趋势是什么？

安全、实时、虚拟化、高密度计算、云雾化正在快速改变嵌入式工业领域；

将时间敏感网络（TSN）部署于控制器之间，实现协同信号的高精度同步传输；

将TSN网络部署于控制器与监控设备（SCADA）或者HMI之间，实现维护数据的高质量传输；

将TSN网络部署于IT网络与OT网络之间，助力实现生产数据向信息系统的上传以及控制管理信息向生产设备的下发；

将TSN网络部署于移动前传网络，为射频单元（RRU）与基带处理单元（BBU）之间的确定性传输提供网络支撑；

将确定性网络（Detnet）部署于IT网络与云平台之间，实现企业内部IT网络与私有云平台业务的确定性时延承载；

将Detnet网络部署于企业外网中，在企业分支之间，企业与数据中心，工业企业与上下游企业之间建立全业务共网承载的管道，实现按业务要求调配网络资源。

可以看出，可以将时间敏感网络作为工业网络互联互通的核心，连接存量的传统工业以太网产线、接入采集海量工业数据的物联网、支撑高精度、远程控制的信号承载，实现各类型工业业务的共网络承载，并按需保证传输质量。

嵌入式系统发展史

嵌入式系统的历史可以追溯到1960年代。Charles Stark Draper于1961年开发了一种集成电路，用来减小阿波罗制导计算机（安装在阿波罗指挥模块和月球模块上的数字系统）的尺寸和重量。第一台使用IC的计算机，它帮助宇航员收集实时飞行数据。

1965年，现为波音公司一部分的Autonetics公司开发了D-17B，这是一种用于Minuteman I导弹制导系统的计算机。它被公认为第一个大规模生产的嵌入式系统。1966年民兵2导弹投入生产时，D-17B被NS-17导弹制导系统所取代，该系统以大量使用集成电路而著称。1968年，第一个车载嵌入式系统问世。大众1600使用微处理器来控制其电子燃油喷射系统。

到1960年代末和1970年代初，集成电路的价格下降，使用量激增。第一个微控制器由德州仪器（TI）于1971年开发。TMS1000系列于1974年商用，它包含一个4位处理器，只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），价格约为2美元。批量订购。

同样，在1971年，英特尔发布了被公认为第一个商用处理器，即4004。4位微处理器设计用于计算器和小型电子设备，尽管它需要永恒的内存和支持芯片。1972年发布的8位Intel 8008具有16KB的内存。随后是1974年的Intel 8080，配备64KB内存。8080的后继产品x86系列于1978年发布，至今仍在大量使用。

1987年，Wind River发布了第一个嵌入式操作系统实时VxWorks，随后在1996年发布了Microsoft的Windows Embedded CE。到1990年代后期，第一个嵌入式Linux产品开始出现。如今，几乎所有嵌入式设备都使用Linux。

什么是嵌入式系统？有什么特征？

嵌入式系统是功能固定的或可编程的计算机软件和硬件的组合。嵌入式系统可以是独立系统，也可以是大型系统的一部分。它主要是为大型系统中的一个或多个特定功能而设计的。例如，火灾报警器就是一种只能感应烟雾的嵌入式系统。

嵌入式系统的主要特征是它们是特定于任务的。此外，嵌入式系统可以包括以下特征：

通常由硬件、软件和固件组成；

可以嵌入更大的系统中以执行特定功能，因为它们是为系统内的特殊任务而不是各种任务而构建的；

可以是基于微处理器的，也可以是基于微控制器的——两者都是使系统具有计算能力的集成电路；

通常用于物联网（IoT）设备中的传感和实时计算，这些设备是Internet连接的设备，不需要用户进行操作；

可能会在复杂性和功能上有所不同，从而影响他们使用的软件、固件和硬件的类型；

通常需要它们在一定的时间限制下执行其功能，以保持较大的系统正常运行。

嵌入式系统的结构

嵌入式系统的复杂程度各不相同，但通常由三个主要元素组成：

硬件——嵌入式系统的硬件基于微处理器和微控制器。微处理器与微控制器非常相似，通常指与其他基本计算组件（例如存储芯片和数字信号处理器（DSP））集成在一起的CPU（中央处理单元）。微控制器将这些组件内置在一个芯片中。

软件和固件——嵌入式系统的软件复杂度可能会有所不同。但是，工业级微控制器和嵌入式IoT系统通常运行非常简单的软件，几乎不需要内存。

实时操作系统——这些并不总是包含在嵌入式系统中，尤其是规模较小的系统中。RTOS通过在程序执行期间监督软件和设置规则来定义系统的工作方式。

嵌入式系统的类型

有几种基本的嵌入式系统类型，它们在功能要求上有所不同。它们是：

移动嵌入式系统是设计为便携式的小型系统。数码相机就是一个例子。

网络嵌入式系统已连接到网络以向其他系统提供输出。示例包括家庭安全系统和销售点（POS）系统。

独立嵌入式系统不依赖于主机系统。像任何嵌入式系统一样，它们执行专门的任务。但是，与其他嵌入式系统不同，它们不一定属于主机系统。计算器或MP3播放器就是一个例子。

实时嵌入式系统会在定义的时间间隔内提供所需的输出。它们经常用于医疗、工业和军事领域，因为它们负责时间紧迫的任务。交通控制系统就是一个例子。

嵌入式系统也可以根据其性能要求进行分类：

小型嵌入式系统通常使用不超过8位的微控制器。

中型嵌入式系统使用较大的微控制器（16-32位），通常将微控制器链接在一起。

大型嵌入式系统通常使用几种算法，导致软件和硬件复杂，并且可能需要更复杂的软件，可配置的处理器和/或可编程的逻辑阵列。

有几种常见的嵌入式系统软件体系结构，随着嵌入式系统的发展和规模的日益复杂化，这些体系结构变得必不可少。它们包括：

简单控制循环调用子例程，用于管理硬件或嵌入式编程的特定部分。

中断控制系统有两个循环：一个主要循环和一个次要循环。循环中断会触发任务。

协作多任务本质上是位于应用程序编程接口（API）中的简单控制循环。

抢占式多任务或多线程经常与RTOS一起使用，并具有同步和任务切换策略。

推动因素：电动汽车和混合动力汽车对ADAS的需求激增

嵌入式系统在汽车行业的重新设计中发挥着重要作用。这些系统用于电动和混合动力车辆的ADAS技术中。大众对环境的日益恶化的意识日益增强，导致对电动和混合动力汽车的需求增加，导致嵌入式系统市场的增长。根据彭博新能源财经的报告，电动汽车的销售额到2020年估计将达到4100万，从而导致对电子元器件的需求增加，包括用于电动汽车的嵌入式硬件和软件。

约束：嵌入式系统容易受到网络威胁和安全漏洞的攻击

阻碍嵌入式系统市场增长的主要因素之一是嵌入式设备的安全性。内存等嵌入式设备包含的信息可能对部队、银行、数据中心和医疗机构至关重要。因此，保护此类设备免受网络威胁和安全漏洞至关重要。不规则的安全更新、较长的设备生命周期、远程部署和攻击复制是使嵌入式系统容易受到网络攻击的一些因素。因此，嵌入式系统对网络威胁和安全漏洞的脆弱性有望限制嵌入式系统市场的增长。

机遇：5G的到来和基于5G的嵌入式设备的开发

5G技术的出现有望为嵌入式系统市场提供增长机会。根据GSM协会（GSMA）的数据，到2034年，5G市场预计将为全球经济贡献2.2亿美元，占全球GDP增长的5.3%。因此，预计未来基于5G架构的嵌入式设备的产量将会增加。由于将5G集成到车辆的智能摄像机监控系统中，因此嵌入式设备可提供快速的响应速度。此外，由于5G技术可以实现快速图像处理，因此有望帮助解决工业自动化和智能农业中面临的挑战。因此，支持5G基础架构的嵌入式设备有望推动嵌入式系统市场的增长。

挑战：小型嵌入式系统产生高能耗

嵌入式系统在其中包含各种功能的紧凑性可能导致其设计架构的复杂性。这也导致嵌入式系统的能耗增加。高能耗通常会损害嵌入式设备的整个生命周期。能量消耗易受嵌入式设备温度的影响，并随着设备温度的升高而增加。这会影响嵌入式系统的整体性能。因此，紧凑型嵌入式系统的高能耗对嵌入式系统市场的增长提出了严峻的挑战。

机会：工业4.0为运动控制市场的参与者提供了机会

工业4.0是第四次工业革命，这意味着传统自动化与信息技术的融合。它主要被描述为制造过程的计算机化。工业4.0推动了对更智能运动控制系统的需求，以满足对更高灵活性和最大化整体设备效率的不断增长的需求。工业4.0的概念在欧洲发展起来，并在全球制造业中得到了扩展。工业4.0的引入导致自动化设备和机械的采用，使工厂能够24/7运转。工业4.0的特点是使用了多种现代技术和高度自动化的生产过程，这些过程需要安装多个传感器和组件才能有效发挥作用。

机器监控

工业自动化系统利用嵌入式软件开发功能通过对功率、流量、振动、压力、温度等变量的受控监视来实时监视系统状态。监视设备（例如传感器和探针）通过行业通信协议（例如MTConnect、HART、EtherNet/IP等）彼此通信和/或位于Internet或云中的客户端服务器系统进行通信。

然后，将来自不同数据源的汇总数据存储在云或中央数据库中，以进行实时分析，以通过仪表板，报告和通知提供可操作的见解。这是一种维护工厂正常运行时间/可靠性的积极方法；减少生产损失和维护成本。工业嵌入式系统可以执行机器监视，以帮助提高生产率，优化设备功能和衡量性能。

机器控制

在各种工业设备中使用嵌入式系统工程服务来执行特定范围的任务，例如控制装配线速度、数控机床中的流体流速，控制机器人机械等，改变了工业自动化的格局。这些系统通过PLC在I/O级别进行通信，可以利用自动化软件以及专有的NC和CNC功能轻松地与现有的机器控制集成。因此，工业OEM和制造工厂可以从降低的维护成本中受益，实现集中和统一的控制架构，并优化其性能和整体产品质量。

用于机器监控的工业嵌入式系统

在机器监控中，工业嵌入式系统实时检查系统状况，测量功率、压力、温度、振动、流量等。在机器监控中，现有的制造系统可以利用现有的网络连接将性能数据发送到集中式服务器或基于云的网关。

汇总和分析此数据，通过报告，通知和仪表板提供可操作的信息。工业嵌入式系统可以执行机器监视，以帮助评估性能，提高生产率和优化设备功能。机器监控是一种主动运行的方法，可以通过使用嵌入式系统来维持正常运行时间并防止生产损失。

嵌入式工业系统的未来

随着工业嵌入式系统的联网和通信现在进入物联网（IoT）领域，正在开发新的框架，这些框架允许嵌入式系统直接或间接连接到Web。这允许具有嵌入式微处理器的组件直接与其他系统的组件进行通信。此外，嵌入式自动化系统现在正在利用机器学习，人工智能和数据分析来帮助监视并向充当人机界面的操作员提出建议。

嵌入式系统是智能制造未来的一部分，它提供了前所未有的更高水平，更直接的工业控制水平。新的和现有的工业设备都可以利用嵌入式系统来优化制造过程。鉴于微处理器改进的迅速发展，机器控制和机器监视也在不断发展，并允许更大的嵌入式系统逻辑，控制和可扩展性。

工业嵌入式系统广泛应用于各个行业，以监督大型机械或电气系统中的特定操作。从HVAC单元到复杂的航空电子设备，工业嵌入式系统无处不在。在较大的系统中，工业嵌入式系统充当可编程操作系统，该操作系统执行特定任务，例如驱动电动机、控制装配线速度、联网设备和/或调节温度。

嵌入式系统旨在帮助控制功率效率，最大化性能以及在苛刻环境中运行时控制流程。通常，嵌入式系统类似于带有微处理器，存储器，电源和与较大系统的其他部分进行通信的外部接口的小型电路板。在工业自动化应用中，考虑嵌入式系统时，机器控制和机器监视是两个主要用例。

用于机器控制的工业嵌入式系统

对于机器控制，嵌入式自动化系统用于在工业设备中执行一系列任务，例如保持CNC机器中的流体流速，控制装配线速度以及在电动机驱动的过程中自动调整齿轮比。许多制造系统已经具有可在I/O级别进行通信的可编程逻辑控制器（PLC）。

因此，可以利用自动化软件以及专有的NC和CNC功能将工业嵌入式系统集成到现有的机器控制中。工业嵌入式系统有助于统一和集中控制体系结构，降低维护成本，并优化机器的性能。

NXP工业4.0嵌入式系统解决方案组合

最后再来看下NXP工业4.0嵌入式系统解决方案组合：

 下图是NXP针对工业市场专门设计的Linux发行版OpenIL介绍。

           责任编辑:tzh