嵌入式系统开发笔记81：嵌入式系统的本质

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前言

  本文探讨嵌入式系统设计的本质。

一、什么是嵌入式系统？

  嵌入式系统（embedded system），是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备，被嵌入的系统通常是包含数字硬件和机械部件的完整设备，例如汽车的防锁死刹车系统。相反，通用计算机如个人电脑则设计灵活，可以智能处理各式各样的运算情况，以满足广大终端用户不同的需要。

二、什么是单片机系统？

  单片机系统是把中央处理器、存储器、各种输入/输出设备都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机系统，其在工业控制领域有着广泛的应用。

三、什么是计算机？

1、世界上最早的计算机（计算器）

  算盘可以说是世界上最早的计算工具（计算器、计算机），以排列成串的算珠作为计算工具，矩形木框内排列一串串等数目的算珠称为档。

  在中国，隶首传说发明珠算，见于东汉末三国时期徐岳撰、北周汉中郎甄鸾注的《数术记遗》：“隶首注术，乃有多种，及余遗忘，记忆数事而已。其一积算…其一珠算，其一计算。”此书也记述中国古代太一算、两仪算、三才算等早期算盘。

2、机械计算机（计算器）

  机械计算器是一种能自动进行基本运算的机械装置。大多数机械式计算器的体积与小型台式电脑相当，但随着电子计算器的出现，机械计算器已被淘汰。

  1642年，布莱兹·帕斯卡发明了机械计算器。当时帕斯卡被他的父亲聘为鲁昂的税吏，他因此设计了机械计算器，以帮助他完成大量繁琐的运算[2]。1851年发明的Arithmometer（英语：Arithmometer）是第一台成功商业化的机械计算器。
布莱兹‧帕斯卡（Blaise Pascal，1623年6月19日－1662年8月19日），法国神学家、哲学家、数学家、物理学家、化学家、音乐家、教育家、气象学家。帕斯卡早期进行自然和应用科学的研究，对机械计算器的制造和流体的研究作出重要贡献，扩展托里切利的工作，澄清了压强和真空的概念。帕斯卡还有力地为科学方法辩护。数学上，帕斯卡促成了两个重要的新研究领域。他16岁写出一篇题为射影几何的论文，1654年开始与皮埃尔·德·费马通信，讨论概率论，深刻影响了现代经济学和社会科学的发展。

3、模拟电子计算机

  线性机械部件（如弹簧和缓冲器（粘滞流体阻尼器））和电气部件（如电容器，电感器和电阻器）之间的相似性在数学上引人注目。它们可以使用相同形式的方程来建模。

  电气等效物可以由一些运算放大器（op amps）和一些无源线性元件构成;所有的测量都可以直接用示波器进行。在电路中，例如，（模拟）弹簧的’刚度’可以通过调整电容器的参数来改变。电气系统类似于物理系统，因此称为名称，但其构造更便宜，通常更安全，并且通常更容易修改。

4、第1台数字电子计算机

  目前世界公认的第一台通用电子计算机，是1946年美国制造的ENIAC（埃尼阿克），它是“电子数字积分计算机”英文首字母的缩写（Electronic Numerical Integrator And Computer）。

ENIAC是一个庞然大物，占地170平；

ENIAC重达28吨；

ENIAC很费电，150KW，一个小时150度电，消耗的电能很大一部分转化成了热能——随意它还很热。

ENIAC内部包括18600个电子管，只能稳定地工作几个小时，即便如此，电子管依然坏得很快，第一年就坏19000个电子管——没毛病，有的电子管反复地坏，反复地换。
ENIAC采用的十进制进行运算，而不是现在计算机采用二进制。

速度方面ENIAC一秒钟可以计算5000次加法，比当时的其它计算机快1000倍。但是ENIAC自己不会存储程序，只有20个暂存器，为它准备程序需要花费几小时甚至几天时间，虽然计算只需要几分钟。

5、第1台二进制数字电子计算机

  离散变量自动电子计算机（英语：Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）是一台美国早期电子计算机。与它的前任ENIAC不同，EDVAC采用二进制，而且是一台冯·诺伊曼结构的计算机。

  ENIAC和EDVAC的建造者均为宾夕法尼亚大学的电气工程师约翰·莫奇利和普雷斯波·艾克特。1944年8月，EDVAC的建造计划就被提出；在ENIAC充分运行之前，其设计工作就已经开始。和ENIAC一样，EDVAC也是为美国陆军阿伯丁试验场的弹道研究实验室研制。

  冯·诺伊曼以技术顾问形式加入，总结和详细说明了EDVAC的逻辑设计，1945年6月发表了一份长达101页的报告，这就是著名的关于EDVAC的报告草案，报告提出的体系结构一直延续至今，即冯·诺伊曼结构。

6、什么进制效率最高？

（1）数学推导

  求导

  当 X = e 的时候，原函数取极大值！

  e 称自然常数，也叫欧拉数，是个大约为 2.71828 的无限不循环小数。

（2）硬件实现

（3）三进制数字电子计算机

  第一台数位电子三进制计算机 Сетунь，是于 1958 年在苏联莫斯科国立大学由 Nikolay Brusentsov 所建造，它比二进位计算机在未来发展上更有优势，但二进位计算机因其低耗电和低廉的生产成本，而于现代盛行。

四、嵌入式系统的本质

嵌入式系统是计算机系统；

计算机系统是数字电子系统；

计算机系统采用二进制。