鄭 巧

（西南石油大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 610500）

1 嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 概念

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其軟硬件可配置，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格約束的一種專用系統(tǒng)，所用的計算機(jī)稱為嵌入式計算機(jī)。這類系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等四個部分組成，實現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視、管理等功能。在結(jié)構(gòu)上，隨應(yīng)用的變化，可用箱體、單板、單片或分布式結(jié)點等形式嵌埋于應(yīng)用設(shè)備或系統(tǒng)中。

1.2 特點

與通用型計算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)具有以下特點：

1）專用的嵌入式CPU

嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中。它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在；芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強(qiáng)，與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也越來越緊密。

2）專用性和算法的唯一性

它總是被設(shè)計成為完成某一特定任務(wù)的系統(tǒng)，一旦設(shè)計完成就不再改變。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用食機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級換代也和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一只進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。

3）多種技術(shù)的結(jié)合體

嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

4）系統(tǒng)對用戶是透明的

用戶在使用這種設(shè)備時只是按照預(yù)定的方式使用它，既不需要用戶進(jìn)行編程，也不需要用戶知道設(shè)備內(nèi)計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計細(xì)節(jié)，用戶也不能改變它。

5）嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)大多數(shù)是實時控制系統(tǒng)

例如工業(yè)儀器、控制裝置、數(shù)控系統(tǒng)、信息家電、軍用設(shè)備和控制系統(tǒng)等

6）系統(tǒng)配量專一，結(jié)構(gòu)緊湊，堅固可靠

一般說來計算機(jī)資源(存儲容量和速度)有限，這是由專用性、嵌入式(空間約束)以及適用環(huán)境所決定的。

2 嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

嵌入式操作系統(tǒng)的引入解決了嵌入式軟件開發(fā)標(biāo)難化的難題。它為解決嵌入式系統(tǒng)中軟件的比重逐漸增加、應(yīng)用程序越來越大，對開發(fā)人員、應(yīng)用程序接口、程序檔案的組織管理等問題提供了一種新的解決方案?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)平臺上開發(fā)出的程序，具有較高的可移植性。嵌入式軟件的函數(shù)化和產(chǎn)品化能夠促進(jìn)行業(yè)交流，減少重復(fù)勞動，提高知識創(chuàng)新的效率。

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)起源于微型機(jī)時代，但很快就進(jìn)入到獨立發(fā)展的單片機(jī)時代。在單片機(jī)時代，嵌入式系統(tǒng)以器件形態(tài)迅速進(jìn)入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為主體，實現(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計算機(jī)專業(yè)隊伍并沒有真正進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)應(yīng)用工程師以習(xí)慣性的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片?機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模式最重要的特點是：軟、硬件的底層性和隨意性；對象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性；缺少計算機(jī)丁程設(shè)計方法。

由于嵌入式系統(tǒng)最大、最廣、最底層的應(yīng)用是傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域的智能化改造，因此，以通曉對象專業(yè)的電子技術(shù)隊伍為主，用最少的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開銷，以8位機(jī)為主，帶有濃重的電子系統(tǒng)設(shè)計色彩的電子系統(tǒng)應(yīng)用模式會長期存在下去。另外，計算機(jī)專業(yè)人士會愈來愈多地介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，但由于對象專業(yè)知識的隔閡，其應(yīng)用領(lǐng)域會集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、商務(wù)電子等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機(jī)械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，客觀存在的兩種應(yīng)用模式會長期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補(bǔ)充。電子系統(tǒng)設(shè)計模式應(yīng)從計算機(jī)應(yīng)用設(shè)計模式中，學(xué)習(xí)計算機(jī)工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計算機(jī)應(yīng)用設(shè)計模式應(yīng)從電子系統(tǒng)設(shè)計模式中，了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍電路設(shè)計方法和對象系統(tǒng)的基本要求等。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)將會在以下領(lǐng)域內(nèi)得到蓬勃發(fā)展：

1）3G應(yīng)用

目前，消費電子產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)功能與傳統(tǒng)的工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)一樣，成為嵌入式系統(tǒng)的兩大市場，3G無疑將為嵌入式系統(tǒng)在消費電子領(lǐng)域提供更多商機(jī)。

2）傳感器網(wǎng)絡(luò)樣

傳感器網(wǎng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，獲得詳細(xì)而準(zhǔn)確的信息，傳送給需要這些信息的用戶。

3）智能家電

在傳統(tǒng)家電企業(yè)和IT企業(yè)兩大陣營的共同推動下，智能家電的研發(fā)開始出現(xiàn)新的高潮。

4）機(jī)器人

機(jī)器人是一個多種高新技術(shù)的集成體，它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)硬件、軟件、人工智能、自動控制、無線通信等許多學(xué)科的知識，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。

5）網(wǎng)絡(luò)安全

21世紀(jì)全世界的計算機(jī)都將通過因特網(wǎng)聯(lián)到一起，信息安全的內(nèi)涵也就發(fā)生了根本的變化。嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，提供了很好的解決方法。

6）身份識別技術(shù)

如何難確鑒定一個人的身份，保護(hù)信息安全是當(dāng)今信息化時代必須解決的一個關(guān)鍵社會問題。采用嵌入式技術(shù)和身份識別技術(shù)開發(fā)的各種身份識別產(chǎn)品，在實現(xiàn)國家穩(wěn)定發(fā)展、信息安全共享中，發(fā)揮著重要的作用。

7）工業(yè)安全

盡管技術(shù)的發(fā)展日新月異，工業(yè)生產(chǎn)自動化的程度越來越高，可是工業(yè)安全一直是人們關(guān)注的問題。采用嵌入式技術(shù)的煤炭瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)成為煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)的重要保證。

3 在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用開發(fā)

即使是不可見的，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)也出現(xiàn)在許多產(chǎn)業(yè)中，包括工業(yè)自動化、國防、運(yùn)輸和航空航天領(lǐng)域。例如，NASA的火星探路者(Mars Path Finder)、洛克西德?馬丁(Lockheed Martin)的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和福特的汽車中都包含了大量的嵌入式系統(tǒng)。

在日常生活中，世界各地的人們使用嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實上，嵌入式系統(tǒng)的不可見性是非常獨特的：使用者從中獲得利益，而沒必要理解該項技術(shù)的錯綜復(fù)雜性。

嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得家庭、工作場所甚至是健身設(shè)備中，到處都有嵌入式系統(tǒng)。的確，從某種程度上很難找到日常生活中的某個部分沒有包含嵌入式系統(tǒng)。下面的幾小節(jié)提供了更明顯的嵌入式實例。

3.1 家庭環(huán)境中的嵌入式系統(tǒng)

隱藏在大量家用電器中的嵌入式系統(tǒng)充滿了整個家庭。消費者盡情享受這些嵌入式技術(shù)提供的先進(jìn)特性和效益。

家庭中的嵌入式系統(tǒng)有多種形式，包括安全系統(tǒng)、電視的有線或衛(wèi)星接收盒、家庭影院系統(tǒng)和電話自動應(yīng)答機(jī)。由于微處理器中的先進(jìn)性可以改進(jìn)普通產(chǎn)品的功能，所以嵌入式系統(tǒng)推動了更多的家庭背景的產(chǎn)品的開發(fā)。

3.2 工作環(huán)境中的嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)也改變著人們從事的職業(yè)。也許員明顯的例于是因特網(wǎng)(Internet)，它實際上恰恰是用各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互連接起來的大量嵌入式系統(tǒng)的集合。

從各種獨立的端點(如打印機(jī)、有線調(diào)制解調(diào)器和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由器)到骨干千兆交換機(jī)，嵌入式技術(shù)使Internet適用于任意的商業(yè)模式。網(wǎng)絡(luò)路由器和骨干千兆交換機(jī)是實時嵌入式的例子。盡管網(wǎng)絡(luò)中存在巨量的聲音和擁擠的數(shù)據(jù)，但實時嵌入式技術(shù)的先進(jìn)性仍使Internet的互聯(lián)更可靠，響應(yīng)更快速。

3.3 娛樂活動中的嵌入式系統(tǒng)

在家庭、工作場所，甚至是娛樂場所，嵌入式系統(tǒng)非常興旺發(fā)達(dá)。裝備有車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車可以安全、便捷地將人們送達(dá)目的地。人們可以在任何時候、任何地方自由自在地聽自己喜歡的音樂。這要歸功于嵌入式系統(tǒng)掩蓋了的便攜式音樂播放機(jī)的復(fù)雜性。

嵌入式系統(tǒng)與其他技術(shù)的結(jié)合給傳統(tǒng)的低技術(shù)世界帶來了效益。例如，GPS技術(shù)用衛(wèi)星指出的位置精度在厘米級。這樣一來，騎自行車周游者、戶外運(yùn)動者可以使用GPS裝置欣賞廣闊的空間，而不怕迷路；漁翁也可以使用GPS裝置存儲他們喜歡的釣魚洞的位置。

嵌入式系統(tǒng)使傳統(tǒng)的無線電控制的飛機(jī)、跑車和賽艇達(dá)到新的高度和速度。由于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)是隱蔽的，這些裝置從操縱桿獲得命令，井通過無線電傳送到裝置的接收器上，使飛機(jī)、賽車、賽艇按要求的速度和復(fù)雜的方式運(yùn)行。實際上，嵌入式技術(shù)的引入使這些技術(shù)更安全，更具娛樂性，消除了信號干擾經(jīng)常引起的恐懼。

4 結(jié)論

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的微處理器相繼涌現(xiàn)，而性價比卻越來越高，這為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的前提條件。另一方面，隨著技術(shù)的進(jìn)步和生活質(zhì)量的不斷提高，人們對嵌入式產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高，從而將迎來嵌入式系統(tǒng)面向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、普適化、低成本、低功耗、高性能、高可用等技術(shù)的發(fā)展。

4.1 低成本與低功耗技術(shù)

隨著人們對節(jié)省能源、設(shè)備小型化等問題的重視，要求嵌人式硬件系統(tǒng)實現(xiàn)高可靠性、低成本、低功耗的設(shè)計，包括微功耗材料／元器件的選擇及其IC設(shè)計、電源管理、模塊化設(shè)計與可復(fù)用性、系統(tǒng)的綜合布局。

4.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)對相應(yīng)的嵌入式軟件設(shè)計技術(shù)也提出了很高的要求，需要選用最佳的編程模型和不斷地改進(jìn)算法。如采用Java編程模式，提高跨平臺支持；優(yōu)化編譯器性能，精簡程序代碼和提高代碼的執(zhí)行效率。因此，既要軟件人員有豐富經(jīng)驗，更需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)。

4.3 多媒體與人機(jī)交互技術(shù)

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻、音頻信息的處理水平越來越高，為嵌入式系統(tǒng)的多媒體化創(chuàng)造了良好的條件，嵌入式系統(tǒng)的多媒體化將變成現(xiàn)實。同時，嵌入式系統(tǒng)需要提供多媒體化的人機(jī)交互，更加方便用戶使用。

4.4 嵌入式互聯(lián)技術(shù)

隨著計算技術(shù)由集中式計算、桌面計算、分布式計算向普適計算模式的演進(jìn)，支持網(wǎng)絡(luò)接入的嵌入式系統(tǒng)(如信息家電、智能導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制)會占主導(dǎo)地位。應(yīng)該選用或設(shè)計開發(fā)什么樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，才能將這樣的嵌入式系統(tǒng)／設(shè)備融人到網(wǎng)絡(luò)之中，一方面是要實現(xiàn)信息互通，更關(guān)鍵的是讓嵌入式系統(tǒng)享用豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。

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