淺談嵌入式系統(tǒng)

摘要：在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post—PC）時代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內(nèi)外各種嵌入式產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密結(jié)合。本文基于集成電路微型計算機(jī)的發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展、 定義、特征、組成等方面展開闡述。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式處理器；嵌入式DSP處理器

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生和發(fā)展，使得現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，而嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。我們已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時代，不僅可以用PC上網(wǎng)，還可以用各種各樣的嵌入式設(shè)備上網(wǎng)。后PC時代出現(xiàn)了許多信息電器，我們周圍的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備有很多，如掌上電腦、可視電話、傳真機(jī)、手機(jī)、個人數(shù)字助理（PDA）、電視會議、TV機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)等，嵌入式設(shè)備如果要上網(wǎng)就必需加上TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由于8/16位的單片機(jī)的速度還不夠快，內(nèi)存也不夠大，不容易滿足嵌入式設(shè)備上網(wǎng)的要求。隨著集成電路的發(fā)展，32位的RISC處理器更是能得到青睞，領(lǐng)先的是ARM處理器位內(nèi)核的生產(chǎn)芯片的公司居多。

電子數(shù)字計算機(jī)誕生于1946年，在其后漫長的歷史進(jìn)程中，計算機(jī)始終是供養(yǎng)在特殊機(jī)房里，實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)，計算機(jī)才出現(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微處理器計算機(jī)以及小型、廉價、高可靠性特點，迅速走出機(jī)房；基于高速數(shù)據(jù)值解算能力的微型機(jī)，表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣，要求將微型機(jī)嵌入到一個對象系統(tǒng)中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。因此，嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個計算機(jī)嵌入到一個對象體系中去，這些是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點。

一、嵌入式系統(tǒng)的定義

根據(jù)IEEE9（國際電氣和電子工師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)定義為控制監(jiān)視或者輔助設(shè)備機(jī)器和車間運行的裝置。由此可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。可以從以下幾個方面來理解國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義：

1.嵌入式系統(tǒng)是面向用戶，面向產(chǎn)品，面向應(yīng)用的，它必須與具體的應(yīng)用相結(jié)合才有生命力，才會更有優(yōu)勢。

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)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

3.嵌入式系統(tǒng)必須能夠根據(jù)應(yīng)用需求對軟件硬件進(jìn)剪裁，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等需求。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)各種需求的系統(tǒng)，是一個較好的發(fā)展模式。

二、嵌入式系統(tǒng)的特征

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用具備以下特點：

1.嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的芯片設(shè)計的面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。如果是獨立的自行發(fā)展則會失去市場，與通用計算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)是針對具體應(yīng)用的專用系統(tǒng)。

2.嵌入式系統(tǒng)軟件的特征

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。對嵌入式系統(tǒng)處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計算機(jī)有所不同。嵌入式系統(tǒng)軟件要求固化存儲；嵌入式系統(tǒng)軟件代碼高質(zhì)量和可靠性；許多應(yīng)用要求系統(tǒng)軟件具有實時處理能力；在嵌入式系統(tǒng)中，多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺，也是走向工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)道路的基礎(chǔ)。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要的開發(fā)工具和環(huán)境。通用計算機(jī)具有完善的人機(jī)交互界面，增加了一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對自身的開發(fā)，而嵌入式系統(tǒng)不具備自身開發(fā)的能力，設(shè)計完成后，用戶通用不能對其中的程序功能進(jìn)行修改，嵌入式系統(tǒng)需要EOS（嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)）的開發(fā)平臺。這是因為對于嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行，但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行配置EOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性，并減少開發(fā)時間，保證軟件質(zhì)量。一個優(yōu)秀的EOS是嵌入式系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，EOS是相對一般操作系統(tǒng)的而言的，它具備了一般操作最基本的功能，如任務(wù)的調(diào)度、同步的調(diào)度、中斷處理、文件功能等，但是嵌入式系統(tǒng)僅具有這些功能是不夠的，為了適應(yīng)不斷發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的要求，EOS需要具有以下特點：

1.更好的硬件實用性，也就是良好的移植性。

2.占有更少的硬件資源

3.高可靠性

4.提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議以及其他協(xié)議

5.友好的GUI用戶交互界面

6.有些應(yīng)用要求EOS還必須具有實時性能

三、嵌入式系統(tǒng)的分類

根據(jù)不同的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)有不同的分類的方法。這里根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)功能上分類分成以下三種：

1.單個微處理器嵌入式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)應(yīng)用在小型設(shè)備中，如溫度傳感器、感光傳感器等用途。

2.不帶計時功能的微處理器嵌入式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)在信號放大器、位置定位器中常見。

3.帶計時功能的組件裝置的嵌入式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)常見于開關(guān)裝置、控制器、電話交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療監(jiān)視診斷系統(tǒng)中常見。

四、嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計算機(jī)系統(tǒng)，自底向上包含以下3個部分：硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用程序。

1.硬件環(huán)境是整個嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行的硬件平臺，不同的應(yīng)用具有不同的硬件環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。從硬件方面來講，嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，一般可以將嵌入式處理器分成4類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統(tǒng)。

2.嵌入式操作系統(tǒng)是完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核精簡、可配置、相對不變性的特點。嵌入式操作系統(tǒng)可以分為實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)。

3.嵌入式應(yīng)用程序。運行在操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用。

五、嵌入式系統(tǒng)的信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

（一）ARM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)在，嵌入式技術(shù)無處不在，ARM幾乎成為嵌入式技術(shù)的代名詞。作為一種16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器，ARM微處理器目前已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛的嵌入式微處理器。ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域。

1.工業(yè) 控制領(lǐng)域：作為32位的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

2.無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

3.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

4.消費類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

5.成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。

除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。

（二）嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

市場需求為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入巨大推動力。嵌入式系統(tǒng)的市場是巨大的，市場需求是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的巨大推動力。據(jù)報告，10%～20%的計算機(jī)芯片是為臺式或便攜式電腦設(shè)計的，80%～90%的計算機(jī)芯片是為嵌入式設(shè)備設(shè)計的，這意味著每年有10億至20億個CPU是為嵌入式設(shè)備設(shè)計制造的。2003年，全球嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)值已達(dá)2000億美元，估計全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場將超過10000億美元。世界范圍內(nèi)嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元。

六、結(jié)語

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計水平的提高，嵌入式系統(tǒng)將會不斷的變化和進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域會再次擴(kuò)大，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)帶來的工業(yè)產(chǎn)值將會劇增，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品的市場前景更加美好。總之，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新會給人類社會生活帶來奇跡和享受。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒思軼.Linux嵌入式設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002（1）：1

[2]許海燕，付炎.嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003（3）：12

[3]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003（10）：3