嵌入式系統(tǒng)的應用與開發(fā)分析

鄭 巧

（西南石油大學 計算機科學學院，成都 610500）

1 嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 概念

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

1.2 特點

與通用型計算機系統(tǒng)相比，嵌入式計算機系統(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集成在；芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移動能力大大增強，與網絡的結合也越來越緊密。

2）專用性和算法的唯一性

它總是被設計成為完成某一特定任務的系統(tǒng)，一旦設計完成就不再改變。嵌入式系統(tǒng)和具體應用食機地結合在一起，它的升級換代也和具體產品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一只進入市場，具有較長的生命周期。

3）多種技術的結合體

嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、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

用戶在使用這種設備時只是按照預定的方式使用它，既不需要用戶進行編程，也不需要用戶知道設備內計算機系統(tǒng)的設計細節(jié)，用戶也不能改變它。

5）嵌入式計算機系統(tǒng)大多數是實時控制系統(tǒng)

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

6）系統(tǒng)配量專一，結構緊湊，堅固可靠

一般說來計算機資源(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)的應用

2.1 應用現狀

嵌入式操作系統(tǒng)的引入解決了嵌入式軟件開發(fā)標難化的難題。它為解決嵌入式系統(tǒng)中軟件的比重逐漸增加、應用程序越來越大，對開發(fā)人員、應用程序接口、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。嵌入式軟件的函數化和產品化能夠促進行業(yè)交流，減少重復勞動，提高知識創(chuàng)新的效率。

嵌入式計算機系統(tǒng)起源于微型機時代，但很快就進入到獨立發(fā)展的單片機時代。在單片機時代，嵌入式系統(tǒng)以器件形態(tài)迅速進入到傳統(tǒng)電子技術領域中，以電子技術應用工程師為主體，實現傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計算機專業(yè)隊伍并沒有真正進入單片機應用領域。因此，電子技術應用工程師以習慣性的電子技術應用模式，從事單片?機的應用開發(fā)。這種應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)技術的密切相關性；缺少計算機丁程設計方法。

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

2.2 應用領域

嵌入式系統(tǒng)將會在以下領域內得到蓬勃發(fā)展：

1）3G應用

目前，消費電子產品的網絡功能與傳統(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)在消費電子領域提供更多商機。

2）傳感器網絡樣

傳感器網綜合了傳感器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳細而準確的信息，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)開始出現新的高潮。

4）機器人

機器人是一個多種高新技術的集成體，它融合了機械、電子、傳感器、計算機硬件、軟件、人工智能、自動控制、無線通信等許多學科的知識，涉及到當今許多前沿領域的技術。

5）網絡安全

21世紀全世界的計算機都將通過因特網聯到一起，信息安全的內涵也就發(fā)生了根本的變化。嵌入式網絡安全設備，提供了很好的解決方法。

6）身份識別技術

如何難確鑒定一個人的身份，保護信息安全是當今信息化時代必須解決的一個關鍵社會問題。采用嵌入式技術和身份識別技術開發(fā)的各種身份識別產品，在實現國家穩(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

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

3 在現實生活中的應用開發(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)也出現在許多產業(yè)中，包括工業(yè)自動化、國防、運輸和航空航天領域。例如，NASA的火星探路者(Mars Path Finder)、洛克西德?馬丁(Lockheed Martin)的導彈制導系統(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的錯綜復雜性。

嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應能力和多樣性，使得家庭、工作場所甚至是健身設備中，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提供的先進特性和效益。

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)和電話自動應答機。由于微處理器中的先進性可以改進普通產品的功能，所以嵌入式系統(tǒng)推動了更多的家庭背景的產品的開發(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(Internet)，它實際上恰恰是用各種網絡技術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、有線調制解調器和企業(yè)網絡路由器)到骨干千兆交換機，嵌入式技術使Internet適用于任意的商業(yè)模式。網絡路由器和骨干千兆交換機是實時嵌入式的例子。盡管網絡中存在巨量的聲音和擁擠的數據，但實時嵌入式技術的先進性仍使Internet的互聯更可靠，響應更快速。

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。裝備有車內導航系統(tǒng)的汽車可以安全、便捷地將人們送達目的地。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的復雜性。

嵌入式系統(tǒng)與其他技術的結合給傳統(tǒng)的低技術世界帶來了效益。例如，GPS技術用衛(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、跑車和賽艇達到新的高度和速度。由于復雜的嵌入式系統(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、賽車、賽艇按要求的速度和復雜的方式運行。實際上，嵌入式技術的引入使這些技術更安全，更具娛樂性，消除了信號干擾經常引起的恐懼。

4 結論

隨著電子技術的發(fā)展，各種各樣的微處理器相繼涌現，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，隨著技術的進步和生活質量的不斷提高，人們對嵌入式產品的質量要求也越來越高，從而將迎來嵌入式系統(tǒng)面向系統(tǒng)化、網絡化、智能化、普適化、低成本、低功耗、高性能、高可用等技術的發(fā)展。

4.1 低成本與低功耗技術

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

4.2 軟硬件協(xié)同設計與優(yōu)化

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)對相應的嵌入式軟件設計技術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驗，更需要發(fā)展先進嵌入式軟件技術。

4.3 多媒體與人機交互技術

隨著多媒體技術的發(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實。同時，嵌入式系統(tǒng)需要提供多媒體化的人機交互，更加方便用戶使用。

4.4 嵌入式互聯技術

隨著計算技術由集中式計算、桌面計算、分布式計算向普適計算模式的演進，支持網絡接入的嵌入式系統(tǒng)(如信息家電、智能導航、遠程控制)會占主導地位。應該選用或設計開發(fā)什么樣的網絡協(xié)議，才能將這樣的嵌入式系統(tǒng)／設備融人到網絡之中，一方面是要實現信息互通，更關鍵的是讓嵌入式系統(tǒng)享用豐富的網絡應用服務。

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