淺談嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)

摘 要：隨著二十一世紀(jì)信息時(shí)代到來(lái)，越來(lái)越多數(shù)字產(chǎn)品出現(xiàn)在我們身邊，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展也進(jìn)入全盛時(shí)期。移動(dòng)通信設(shè)施、便攜計(jì)算機(jī)、平板電腦、消費(fèi)電子領(lǐng)域甚至軍事領(lǐng)域都或多或少的存在嵌入式系統(tǒng)的影子。作為集多種技術(shù)于一身的嵌入式系統(tǒng)，有著自身發(fā)展優(yōu)勢(shì)，下面就嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)談?wù)劚救艘稽c(diǎn)體會(huì)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；嵌入式系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP368.1

1 嵌入式系統(tǒng)的歷史

20世紀(jì)60年代以晶體管、磁芯存儲(chǔ)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)開始用于航空等軍用領(lǐng)域。

20世紀(jì)70年代之后，隨著單片機(jī)出現(xiàn)，再到今天發(fā)展成各式各樣的嵌入式微處理器。這使得汽車、民用電器、工業(yè)機(jī)械器材及各種通信設(shè)施，通過(guò)內(nèi)嵌電子設(shè)備來(lái)獲得更好的使用性能，這些內(nèi)嵌的電子設(shè)備已經(jīng)初步具備了嵌入式的特點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)程序編寫有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，專業(yè)人士開始用更高級(jí)更精準(zhǔn)的操作系統(tǒng)編程進(jìn)行實(shí)際嵌入式應(yīng)用，使得他們不但節(jié)約開發(fā)成本，并且可以獲得極高的開發(fā)效率和更短的開發(fā)周期。

20世紀(jì)90年代，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性功能急迫要求及各種應(yīng)用軟件的出現(xiàn)，導(dǎo)致軟件規(guī)模數(shù)量不斷上升，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)開始出現(xiàn)新的變化，實(shí)時(shí)性變得非常突出，從而導(dǎo)致一場(chǎng)嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的革命。

2 嵌入式系統(tǒng)的定義

國(guó)際上通用的嵌入式系統(tǒng)定義是“控制、監(jiān)視或者輔助機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的系統(tǒng)裝置，從而完成既定功能的一種軟件系統(tǒng)”。

在我們國(guó)家嵌入式系統(tǒng)概念一般認(rèn)為是：嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，輔以計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用功能、安全可靠性、資本消耗等各種程序?yàn)閷?dǎo)入要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備及客戶應(yīng)用程序組成。

通常的嵌入式系統(tǒng)有以下幾種：：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive。

3 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2011年全球嵌入式軟件市場(chǎng)平均增長(zhǎng)率為31%，中國(guó)嵌入式軟件市場(chǎng)則超過(guò)了40%，居世界之首，2012年中國(guó)嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)銷售收入已突破3000億元人民幣，但仍有市場(chǎng)空間。有業(yè)內(nèi)專業(yè)咨詢公司預(yù)計(jì)未來(lái)5年，嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，到2015年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到5000億元人民幣。

在網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備、消費(fèi)電子、數(shù)字家電、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)精準(zhǔn)控制方面都是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域，同時(shí)嵌入式系統(tǒng)在辦公自動(dòng)化、金融電子、國(guó)防軍事及航空航天等領(lǐng)域也有她的身影，嵌入式軟件均已得到廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用深度方面，也由最簡(jiǎn)單的僅有執(zhí)行單一功能控制能力的嵌入式系統(tǒng)，發(fā)展到幾乎與PC具有一樣的功能，很多復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，由若干個(gè)小型嵌入式系統(tǒng)組成。隨著需求的旺盛、技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的成熟，嵌入式設(shè)計(jì)與應(yīng)用已成為工業(yè)現(xiàn)代化、智能化的必經(jīng)之路，使嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)與數(shù)字化時(shí)代的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的融合趨勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)部分

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，包含處理器以及I/O 端口等，具體設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)部分。

處理器設(shè)計(jì)：在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其核心就是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器設(shè)計(jì)中，應(yīng)該具備對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)的響應(yīng)能力，具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)保護(hù)功能，具有可擴(kuò)展性，降低嵌入式微處理器功耗。

總線設(shè)計(jì)：在總線設(shè)計(jì)部分，因?yàn)榭偩€是進(jìn)行互連以及傳輸信息、指令、數(shù)據(jù)的橋梁，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該特別注意，因此在嵌入式系統(tǒng)中，可以采用片內(nèi)總線與片外總線的方式，確保CPU 與片內(nèi)部件的連接，也可以確保與外部設(shè)備的準(zhǔn)確連接。

存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)：在對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)可以分為高速緩存Cache以及主存、外存三種形式的存儲(chǔ)器，在設(shè)計(jì)中對(duì)這三個(gè)存儲(chǔ)器也應(yīng)該有明確的設(shè)計(jì)，以便提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

I/O端口設(shè)計(jì)：對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的I/O設(shè)計(jì)中，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是面向應(yīng)用的，因此對(duì)于輸入/輸出接口設(shè)計(jì)中，應(yīng)該具備多任務(wù)、多平臺(tái)的特點(diǎn)，確保嵌入式系統(tǒng)的適用性。

4.2 軟件設(shè)計(jì)部分

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，首先應(yīng)該清楚嵌入式軟件是嵌入在硬件內(nèi)的操作系統(tǒng)或者開發(fā)工具軟件，是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)聯(lián)核心，與嵌入式系統(tǒng)是密不可分的，因此對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)該具備一定的優(yōu)勢(shì)，嵌入式操作系統(tǒng)中，包括驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核以及通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等程序，以滿足嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的需求。

軟件設(shè)計(jì)中的任務(wù)管理：對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在內(nèi)核的軟件設(shè)計(jì)部分，其任務(wù)管理中應(yīng)該具備任務(wù)調(diào)度、刪除任務(wù)、創(chuàng)建任務(wù)、掛起任務(wù)以及設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)的功能，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度。

內(nèi)存管理的設(shè)計(jì)：在嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)于系統(tǒng)的內(nèi)存管理中，將會(huì)采用靜態(tài)內(nèi)存分配以及動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的方式進(jìn)行管理，并且應(yīng)用虛擬內(nèi)存技術(shù)，為實(shí)時(shí)用戶提供強(qiáng)大的虛擬存儲(chǔ)管理機(jī)制。

通信以及同步互斥機(jī)制：對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的通信，將會(huì)采用一定的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信，在優(yōu)先級(jí)的限制性下實(shí)現(xiàn)任務(wù)的中斷、同步以及互斥的功能。

軟件設(shè)計(jì)中的中斷管理：中斷設(shè)計(jì)中，當(dāng)程序中的中斷發(fā)生時(shí)，需要對(duì)中斷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存，將其轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序上，并且在退出中斷后還要恢復(fù)中斷。

軟件設(shè)計(jì)中的時(shí)間管理：在嵌入式系統(tǒng)中，具有很高的時(shí)效性，這些全是依靠時(shí)鐘的作用，因此在軟件設(shè)計(jì)中提供高精度以及可以設(shè)置的時(shí)鐘，在嵌入式系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)管理工作；其中包括對(duì)計(jì)時(shí)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等。

任務(wù)擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)：在嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，在軟件設(shè)計(jì)中還需要設(shè)置一些任務(wù)擴(kuò)展部分，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)新任務(wù)的創(chuàng)建、切換以及刪除工作，提高嵌入式系統(tǒng)的使用效率。

5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)有了快速發(fā)展的基礎(chǔ)，也產(chǎn)生了眾多嵌入式產(chǎn)品，為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展展現(xiàn)了美好的未來(lái)，從目前來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

首先，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)綜合系統(tǒng)工程，包括了幾項(xiàng)或者N項(xiàng)不同系統(tǒng)產(chǎn)品的集合體。嵌入式系統(tǒng)研發(fā)廠商不但要提堅(jiān)實(shí)可靠的嵌入式系統(tǒng)軟硬件，還需要提供為嵌入式系統(tǒng)軟硬件服務(wù)的開發(fā)工具和軟件支持，這是嵌入式系統(tǒng)能良好發(fā)展下去的必備條件。

其次，現(xiàn)實(shí)社會(huì)的高度信息化對(duì)嵌入式系統(tǒng)要求越來(lái)越高，并且二者依賴性越來(lái)越強(qiáng)。這不光表現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，3G、4G帶寬速度提高，歸根到底是人類知識(shí)成幾何級(jí)數(shù)爆發(fā)，這樣的產(chǎn)品使得我們身邊的多媒體產(chǎn)品和遠(yuǎn)程智能操控更加便捷，如手機(jī)、智能家電（電視、冰箱、空調(diào)、微波爐）、智能房屋等功能不再單一，打破了人們對(duì)一般產(chǎn)品的慣性思維，導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

再次，現(xiàn)實(shí)生活產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（虛擬世界）是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。這主要體現(xiàn)在嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)高速運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)硬件上不同的網(wǎng)絡(luò)通信信息接口來(lái)進(jìn)行各種不同功能有機(jī)整合。目前嵌入式處理器大多是內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，支持TCP/IP協(xié)議，同時(shí)支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA當(dāng)中的一種或者幾種，嵌入式系統(tǒng)軟件系統(tǒng)內(nèi)核還要支持不同網(wǎng)絡(luò)模塊版本，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工作、生活、娛樂(lè)三合一式上網(wǎng)要求。

四是精簡(jiǎn)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，適當(dāng)降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)功能成本最大化。在人們的設(shè)想中未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)該是適用性強(qiáng)、覆蓋面廣、性價(jià)比高、價(jià)格低廉的一款大眾化產(chǎn)品，這就要求嵌入式系統(tǒng)研發(fā)廠商不但減低系統(tǒng)功耗，減少不必要的成本，還要精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，求得與系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)，運(yùn)用價(jià)值工程原理進(jìn)行優(yōu)化組合生產(chǎn)出更多更優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。

最后嵌入式系統(tǒng)要為客戶提供更多更理想的多媒體人機(jī)界面，完美體現(xiàn)人性化的一面。

之所以嵌入式設(shè)備產(chǎn)品能有很好的發(fā)展前景，與嵌入式系統(tǒng)方便快捷人性化特點(diǎn)是分不開的。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品不光與客戶互動(dòng)，還能虛擬化出現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景，讓客戶深入其中，為人們帶來(lái)巨大角色互換感覺(jué)，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品的圖像界面、靈活的操制方法及便攜等提出了更高的要求，嵌入式設(shè)備的高要求反過(guò)來(lái)促使軟件設(shè)計(jì)人員在多媒體（或者M(jìn)媒體）技術(shù)上下大力氣進(jìn)行編程擴(kuò)展。如，界面手寫輸入、語(yǔ)音輸入、遠(yuǎn)程家電控制、圖像色彩、多合一功能等等都要客戶獲得嶄新的感受，成為人們生活中不可離缺的一部分。

6 流行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)介紹

嵌入式linux是將現(xiàn)階段的人們經(jīng)常使用的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行修改升級(jí)，并讓其在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行，保證使用者要求功能的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux特點(diǎn)一是既繼承了互聯(lián)網(wǎng)上無(wú)限的開放源代碼，二是它的版權(quán)費(fèi)免費(fèi)（我認(rèn)為未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)是免費(fèi)的，可能是十年吧，但天底下沒(méi)有免費(fèi)的午餐），三是便捷性操控性能優(yōu)異，更容易軟件移植，四是產(chǎn)品更替速度快，研發(fā)周期短，產(chǎn)品上市迅速，極大地發(fā)揮人類知識(shí)的創(chuàng)造力。五是產(chǎn)品實(shí)時(shí)性能穩(wěn)定，安全性好、性價(jià)比高。

嵌入式linux速度很快，linux是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核最小只有一兩百KB。Linux是免費(fèi)的OS，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺(tái)，是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，Toker ring、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以Linux很適于做信息家電的開發(fā)，還有使用Linux為的是來(lái)開發(fā)無(wú)線連接產(chǎn)品的開發(fā)者越來(lái)越多。

嵌入式Linux的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了我們生活工作大部分空間，人們?cè)絹?lái)越離不開它，它影響著并在一定程度上改變著我們的生活與工作方式。近來(lái)研發(fā)人員利用嵌入式Linux自身特點(diǎn)，把它應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)里中，像GNOME，KDE，UTITY等都是很優(yōu)秀的桌面管理器就是一個(gè)典型，并且其背后有著眾多的社團(tuán)支持，可定制性極強(qiáng)，這點(diǎn)已經(jīng)在Unix和Linux世界普及開來(lái)。

7 結(jié)束語(yǔ)

作為新一代IT發(fā)展和提升價(jià)值鏈高端地位的關(guān)鍵技術(shù)，可信嵌入式軟件是推動(dòng)中國(guó)高端裝備產(chǎn)業(yè)由“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵因素。 綜上所述，在今后的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中，還將更加趨于低成本、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精簡(jiǎn)化、效率高以及集成性的發(fā)展趨勢(shì)，讓嵌入式系統(tǒng)徹底改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]魏洪興.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師教程全國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格水平考試指定用書.2012，03，01.

[2]余甫煒.對(duì)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的思考[J].網(wǎng)絡(luò)財(cái)富，2010（14）：56-57.

[3]王樹紅.嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].太原大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（34）：45-46.

[4]張曉瑩.計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)初探[J].信息與電腦（理論版），2012（08）：31-32.

[5]莊嚴(yán)，王光宇，楊海峰.嵌入式Linux系統(tǒng)工程師教程[D].清華大學(xué)，2012，05，01.

作者簡(jiǎn)介：尹泉（1992.08-），男，吉林長(zhǎng)春人，研究方向：軟件工程專業(yè)-嵌入式系統(tǒng)方向。

作者單位：電子科技大學(xué)信息與軟件工程學(xué)院，成都 610054