嵌入式系统设计中的新兴趋势和挑战

嵌入式系统是一种基于微处理器的硬件系统，与软件集成，旨在处理特定功能或整个系统功能。随着微控制器技术的快速增长和发展，嵌入式系统也以各种形式发展。

嵌入式软件通常用于处理操作系统中的专用硬件，如RTOS，Linux，Windows等。此外，随着嵌入式系统在机器学习、智能可穿戴设备、家庭自动化、电子设计自动化领域的采用急剧增加，以及多核处理的进步，嵌入式系统市场的未来看起来非常有吸引力。联合市场研究集团报告称，2022 年至 2031 年间，全球嵌入式系统市场预计将以 6.5% 的复合年增长率增长，达到约 163 亿美元。

嵌入式系统设计概述

通常，嵌入式系统由硬件、软件和嵌入式操作系统组成。硬件包括用户界面、存储器、电源和通信端口。在软件部分，机器级代码是使用C和C++等编程语言创建的。RTOS（实时操作系统）是最有序的操作系统，通常用于嵌入式操作系统。嵌入式系统通常分为三类，从小规模、中型和复杂系统开始。

如果您在没有计划的情况下进行嵌入式系统设计，可能会让人不知所措。另一方面，系统方法有助于将设计周期划分为可管理的阶段，从而实现适当的规划、实施和协作。

嵌入式系统设计包括以下步骤：

嵌入式系统设计流程

产品识别/抽象

这一切都始于需求分析，从分析产品需求并将其转化为规格开始。输入/输出的数量和逻辑图并不是唯一的考虑因素，但调查使用和操作条件有助于确定嵌入式系统的适当规格。

版面设计

一旦需求转化为规范，硬件设计人员就可以开始构建蓝图。在此阶段，设计团队必须根据功耗、外设、存储器和其他电路组件选择合适的微控制器，同时牢记成本因素。

印刷电路板

PCB是一种使用铜导体以电气方式连接各种组件并以机械方式支撑它们的组件。印刷电路板设计涉及一个头脑风暴过程，其中必须遵循特性和功能以及可靠性的最佳实践。当使用高速混合信号电路、微处理器和微控制器时，它会变得更加复杂。常见的PCB类型包括单面和双面， 多层， 柔性， 陶瓷， 等等.

原型开发

在为特定细分市场创建新产品时，时间非常重要，起着至关重要的作用。创建原型可以让您尽早发现缺陷和设计优势。它有助于更早地识别设计缺陷，允许测试想法，确定产品可行性，并简化设计流程。

固件开发

为嵌入式硬件（微处理器、微控制器、FPGA）编写代码，而不是成熟的计算机，被称为固件开发。控制传感器、外围设备和其他组件的软件称为固件。为了使一切正常运行，固件设计人员必须使用编码来使硬件栩栩如生。利用制造商提供的预先存在的驱动程序库和示例代码将加快该过程。

测试与验证

在授权嵌入式系统设计进行生产或部署之前，必须通过严格的测试。除功能测试外，电路还必须进行可靠性测试，尤其是在接近其极限的情况下。

嵌入式系统的趋势

技术趋势正在加速，设备已经发展成为适合许多类别和领域的独特品质，包括嵌入式。由于其结果是面向应用的，并且是关注高级开发领域，嵌入式系统和设备将在未来考虑各种业务部门及其应用时变得更加受欢迎。让我们看看嵌入式系统的最新趋势。

片上系统解决方案

片上系统（SoC）解决方案是嵌入式系统技术的另一个新趋势。许多企业提供基于SoC的嵌入式设备，其中模拟和混合信号集成电路的市场交付是一种流行的解决方案。具有高性能、小尺寸、低成本和IP保护的ASIC就是这样一种解决方案。由于其尺寸、重量和功率性能，它非常适用于特定应用的系统需求。

无线技术

构建无线嵌入式软件解决方案的主要目标是信息传输和接收。无线嵌入式系统在任何环境下都无法实现物理连接的情况下发挥着重要作用，物联网外围设备和设备的使用变得至关重要。随着 Z-Wave、蓝牙、Wi-Fi 和 ZigBee 等无线解决方案领域的技术进步，嵌入式无线系统的适用性急剧提高。

自动化

当今使用的每个系统都变得更加自动化。每个增长部门都有一定程度的自动化，这主要是由于计算机、机器人的发展以及人工智能和机器学习等智能技术的进步。嵌入式设备的使用加快了多个存储组件的连接速度，并且可以轻松地与云技术连接，为设备的认知处理快速扩展提供动力。基于面部识别和视觉解决方案的应用程序提供了图像识别和捕获，图像处理，后处理等优势，以及实时安全警报。例如，配备物联网和人工智能的智能工厂可以通过实时监控运营并允许人工智能做出防止操作错误的决策来显着提高生产力。

低功耗

优化电池供电设备以实现最低功耗和较长的正常运行时间，这对开发人员提出了重大挑战。为了监控和降低嵌入式设备的能耗，目前正在开发许多技术/模块和设计技术，其中包括Wi-Fi模块，增强型蓝牙，在硬件层使用更少的功率优化嵌入式系统。

嵌入式系统设计的挑战

嵌入式系统设计是一个重要的组成部分，并且正在迅速发展;但是，必须解决某些挑战，例如与安保和安全，更新系统硬件和软件，功耗，无缝集成以及验证和测试有关的问题，这对于提高系统性能起着至关重要的作用。在开发嵌入式系统时，避免可能危及用户的意外行为至关重要。它的设计应确保在关键环境中的救生功能没有问题。大多数情况下，嵌入式设备是使用移动应用程序控制的，其中确保没有数据接管或泄露的风险至关重要。

嵌入式技术将继续增长，制造商现在正在大力使用嵌入式设备，从汽车到安全系统，从消费电子产品到智能家居解决方案等。诚然，嵌入式系统现在可能是推动设备认知和性能进步的最重要因素。

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审核编辑：郭婷