嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

田曉蕾

[摘要]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)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它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)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能，隨著嵌入式系統(tǒng)使用的廣泛，我們需要更多了解嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用，這將有更好的現(xiàn)實意義。

[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220064－01

嵌入式控制器的應(yīng)用幾乎無處不在：移動電話、家用電器、汽車……無不有它的蹤影。嵌入式計算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計算機(jī)，一臺通用計算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10個嵌入式微處理器。在制造工業(yè)、過程控制、網(wǎng)絡(luò)、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

嵌入式系統(tǒng)目前在國內(nèi)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。

這個定義上，可從幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)：

1．嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。

2．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)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領(lǐng)域占有70％以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河的Vxworks之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因為其高實時性和高可靠性。

3．嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。

實際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個外延極廣的名詞，現(xiàn)在人們講嵌入式系統(tǒng)時，某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，本文在進(jìn)行分析和展望時，也沿用這一觀點。

嵌入式系統(tǒng)則不同，它是一個分散的工業(yè)，充滿了競爭、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能有少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個行業(yè)的中小規(guī)模高技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會上的各個應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動嵌入式工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動力。

器件是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的根本，嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)就是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計技術(shù)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。

我們來回顧一下工業(yè)的需求，體積小、低耗電、多個通訊接口、沒有風(fēng)扇、沒有硬盤、環(huán)境忍受度高、Linux OS ready、支持802.11g無線通訊、可以CF或USB storage擴(kuò)充、至少兩個以上的網(wǎng)絡(luò)接口、支持硬件加解密、Web server ready、硬件是all in one不需使用連接線等等，而符合這些需求的產(chǎn)品將會成為工業(yè)首選的產(chǎn)品，也是嵌入式系統(tǒng)未來的趨勢嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)需要強(qiáng)大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持。

1．隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網(wǎng)上提供的信息內(nèi)容日趨豐富、應(yīng)用項目多種多樣，像電話手機(jī)、電話座機(jī)及電冰箱、微波爐等嵌入式電子設(shè)備的功能不再單一，電氣結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。為了滿足應(yīng)用功能的升級，設(shè)計師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強(qiáng)處理能力；同時還采用實時多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性，簡化應(yīng)用程序設(shè)計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

2．聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢。為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必需配有通信接口，相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)（如防盜報警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息）及實驗現(xiàn)場儀器的協(xié)調(diào)工作等要求，新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應(yīng)的瀏覽器，如HTML、WML等。

3．支持小型電子設(shè)備實現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本。為滿足這種特性，要求嵌入式產(chǎn)品設(shè)計者相應(yīng)降低處理器的性能，限制內(nèi)存容量和復(fù)用接口芯片。這就相應(yīng)提高了對嵌入式軟件設(shè)計技術(shù)要求。如，選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能。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)，如Java、Web和WAP等。

4．提供精巧的多媒體人機(jī)界面。嵌入式設(shè)備之所以為億萬用戶樂于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機(jī)交互界面，如司機(jī)操縱高度自動化的汽車主要還是通過習(xí)慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但離掌式語言同聲翻譯還有很大距離。

嵌入式系統(tǒng)屬技術(shù)與知識密集型產(chǎn)業(yè)，其應(yīng)用范圍廣泛、發(fā)展前景廣闊。近幾年，我國嵌入式系統(tǒng)及產(chǎn)品日益豐富，結(jié)構(gòu)日臻完善，市場呈現(xiàn)快速增長趨勢，尤其在電子、通信、交通、金融、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、自動化等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，使得嵌入式系統(tǒng)及產(chǎn)品迅速滲透到社會各個層面，發(fā)展嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)成為我國信息產(chǎn)業(yè)由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的突破口，成為我國信息產(chǎn)業(yè)增長方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。嵌入式系統(tǒng)企業(yè)的成長不僅對軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用，而且對于我國由信息產(chǎn)業(yè)大國向信息產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國躍遷的重要內(nèi)容之一，其研發(fā)能力及產(chǎn)業(yè)化水平已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防實力的重要標(biāo)志。