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1.1.1 物聯網嵌入式概述

1.早期嵌入式發展階段

早期嵌入式技術發展階段大致分為無操作系統階段、簡單操作系統階段、使用通用嵌入式操作系統（VxWorks、嵌入式Linux、Windows CE等）及通用嵌入式處理器（ARM、MIPS等）的實時系統階段和面向互聯網應用階段。

（1）無操作系統階段

即沒有操作系統的支持，如使用8位CPU芯片來執行一些單線程的程序，其主要特點是結構功能相對單一，處理效率較低，存儲容量小，用戶接口少。

（2）簡單操作系統階段

這個階段出現了一批處理能力較早期更強大的低功耗嵌入式CPU，能夠運行一些簡單的嵌入式操作系統。該時期的簡單嵌入式操作系統如μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等能夠在小容量RAM單片機上運行。

（3）實時系統階段

實時系統階段使用通用嵌入式操作系統及通用嵌入式處理器，出現了以vxWorks為代表的成熟且功能更為強大的實時操作系統，具備文件和目錄管理、多任務、網絡支持、圖形窗口等功能，比簡單嵌入式操作系統的兼容性更好，效率更高，且具備大量的應用程序接口（API）。后期的嵌入式Linux由于在圖形用戶界面（GUI）、復雜設備兼容支持上更加友好及開源性等特點，逐漸成為主流嵌入式操作系統。

（4）面向互聯網應用階段

互聯網+時代的到來使得嵌入式更多面向Internet應用，這個階段的主要特點是嵌入式操作系統的TCP/IP協議棧功能及嵌入式處理器的網絡接口支持能力更加強大，系統通過移植、裁剪，能夠在短時間內支持不同特征的應用場景，且效率更高。

2.當前物聯網嵌入式應用階段

物聯網（Internet of Things，IoT）的英文名稱直譯為“萬物互連的Internet”，即互聯網面向除了人以外的萬事萬物進行擴展延伸。物聯網構想是通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡鏈接起來形成一個巨大網絡，實現任何時間、任何地點，人、機、物的智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。

如圖1-1所示，物聯網典型體系架構自下而上分為感知層、網絡層和應用層三層，而嵌入式處理器位于最下面的感知層。

（1）感知層

物聯網的感知層主要是通過大量傳感器收集物理信號，從而形成海量的原始信號，一方面嵌入式處理器對這些原始信號進行智能處理，提取關鍵有效信息，丟掉冗余部分，再重新加工封裝便于網絡傳輸；另一方面接收上層指令，對物理世界做出反饋。嵌入式既可以應對應用層大數據云計算直接處理海量數據的實時性和傳輸帶寬限制等技術瓶頸，解決隱私數據安全性、業務數據可靠性等固有缺陷，也可以產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。因此嵌入式技術的主要載體可以承擔部分云計算的復雜計算分析功能，且更具有優勢。

如果將物聯網比作人體，感知層就是物聯網的感官，相當于人的視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等，具有實現物聯網全面感知的能力。感知層包含的傳感器有二維碼標簽識讀器、RFID標簽讀寫器、溫濕度傳感器、傳聲器、攝像頭、GPS等，除了海量的傳感器，感知層還包含傳感器網絡、相關協議、網關接口及支撐傳感器信息采集及傳輸通信的軟硬件等。如圖1-1感知層所示，嵌入式平臺一方面收集來自不同傳感器的信息并進行必要的處理分析，另一方面作為傳感器網絡的節點將信息向更上層進行傳輸，或者接收來自上層的決策指令并進行控制。

（2）網絡層

物聯網的網絡層類似于人體的中樞神經網絡，具體指電信骨干網絡。典型網絡層包含主流運營商提供的互聯網、4G/5G等移動通信網絡，此外廣電網、電力通信網、專用網（數字集群）等網絡作為補充。接入網方式包括光纖接入、無線接入、以太網接入、衛星接入等。網絡層的作用是實現感知層大規模傳感處理數據的可靠傳輸。

（3）應用層

應用層位于物聯網三層結構中的最頂層，類似人體的大腦，海量的傳感數據通過網絡層傳輸后在這里匯總并集中處理。應用層依賴大數據云計算平臺的強大計算分析能力和人工智能技術，通過各種具體的應用層軟件對數據進行計算、處理和知識挖掘，并將得到的決策、信息結果或學習到的知識反饋給感知層，或者作為產品服務提供出來，從而實現對萬物互聯的物理世界的精確管理、實時控制及科學決策。

3.嵌入式系統的定義與特點

（1）嵌入式系統的定義

電氣電子工程師學會（IEEE）的定義為：嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”。國內采用百度百科的定義為：嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求（功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等）靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序四部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

（2）嵌入式系統的特點

嵌入式系統具有如下特點。

1）可裁剪性。因為嵌入式一般面向具體應用，所以嵌入式系統一般較小，可根據具體產品裁剪掉不必要的驅動組件及接口，如現在智能安防的嵌入式系統只需要配備攝像頭驅動、視頻壓縮及網絡傳輸及接口功能即可。

2）實時性。嵌入式產品需要及時對物理世界做出反饋，一般都具有強實時性要求，如為了保證安全性，基于嵌入式的自動駕駛系統對交通突發狀況的系統響應時間就極短，在毫秒數量級。

3）低功耗、低成本和高可靠性。大量嵌入式產品依靠電池供電，且體積小巧、便捷可穿戴，如智能手環等必須按照低功耗系統設計、低成本價格且可靠性高才能滿足用戶需求。

4）與具體應用同步迭代。嵌入式一般與其具體產品應用有機結合，升級換代與產品同步，具有較長生命周期。

5）完整的開發環境及相關工具。運行裸機程序的嵌入式處理器系統開發一般采用集成開發環境，如單片機、STM32等采用Keil軟件，DSP采用CCS軟件，而運行vxWorks操作系統的嵌入式處理器使用Tornado。ARM處理器的嵌入式Linux系統開發一般使用一整套面向ARM的GNU工具鏈，包括GCC、GNU Binutils、GNU make和Glibc等。

6）不可壟斷性。由于嵌入式直接面向具體應用，種類極其繁多，這造成了嵌入式系統是不可壟斷的高度分散的產品，雖充滿競爭，但每個嵌入式的學習者和愛好者都有很大的機遇與創新可能。