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一般嵌入式工控机设计主要有两种体系结构，即封闭式和开放式体系结构。封闭式体系结构的产品不依赖于某种总线标准，为某种特定任务而专门设计，专用性较强，称为芯片级嵌入。开放式体系结构的设计立足于某类开放的工业总线标准。依靠此类开放和标准，工控机厂商设计出各具特色、种类繁多、可供用户灵活选择的模板级产品，如CPU板、模拟量I/O板和数字量 I/O板等。工控机用户可以根据任务的实际情况选择一定数量的功能模板，以最快的速度组合成相应的应用系统，从而大大缩短开发周期，减少开发费用，使产品的升级和维护变得简单、方便，此类嵌入方式称为板级嵌入。
传统工控机不仅具有像PC一样的速度和性能(如成熟的操作员界面、复杂的控制算法和最快的处理器)，还要具备以下特性:
坚固性。工控机使用环境复杂，如高温、高尘环境，可能还需承受冲击和振动，要求工控机供电电源稳定可靠、制冷性能良好、插卡的固定能力强。
可靠性。MTBF指数大于10000小时，需要保守的电路和散热设计、固态非转动的盘驱动器和精细的电缆连接来保证。
低的MTTR指数。工控机普遍采用去掉有源电路的无源底板或工业主板，功能分散到其它插板上，因此插板一旦出现故障，可以很快完成更换。
模块化。控制设备的工控机需要两个以上的串口、模拟和数字I/ O、运动控制、PLC互连能力、显示等。
实时性。工控机要具有时间和事件驱动能力，能对生产过程工况变化实时地进行监测和控制，当过程参数偏离设定值甚至出现故障时，能迅速做出相应的处理。
相比传统工控机，嵌入式工控机硬件设计还需考虑以下因素:
兼容性。嵌入式工控机硬件设计要做到和PC、MS-DOS完全兼容，充分利用PC所积累的软、硬件资源。
克服总线数据宽度和速度瓶颈。标准工业总线一方面使系统开放，另一方面也阻碍工控机处理器性能的发挥。较好的办法是采用All in one和I/O总线设计方案，既可提高性能又可保持向下兼容。随着数据采集量增加，控制策略和控制算法更加优化和复杂，对工控机的处理能力、存储器访问速度和实时响应能力的要求越来越高、越来越严格。股将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计，即把对速度要求高的CPU、存储器、看门狗、硬盘和需要高速访问的I/O接口等做在一块All in one模板上，把相对慢速的I/ O部分放在总线上，是一种合理、现实的方案。
采用基于Flash存储器的新型存储器系统。新型存储器系统以 Flash存储器为核心，具有系统小、功耗低、重量轻、坚固和可靠性高等特点，更能满足各种苛刻的嵌入式应用要求。Flash存储器以其高密度、高速度、不挥发、电可改写和高可靠等优点，为实现工业控制系统软件全固化运行的理想提供了保障。
系统故障监测和自动恢复。如今，看门狗电路已成为嵌入式工控机设计不可缺少的一部分。它能在系统出现故障时迅速报警，并在无人干预的情况下，使系统自动恢复运行。
采用PC兼容的、高集成度的嵌入式微处理器。
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