嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用

王明月 張德慧 魏銘

摘 要：近年來，各種各樣的嵌入式系統(tǒng)大量應(yīng)用到各個領(lǐng)域， 從國防武器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備到智能儀器、日常消費電子設(shè)備， 再到生物微電子技術(shù)， 處處都可以見到嵌入式系統(tǒng)的身影，嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)滲透到人類社會生活的各個領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)是計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)以及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)等高度融合的產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的高速進(jìn)步， 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地深入人們的日常生活 ，構(gòu)建信息高速公路的各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 如交換機(jī)、路由器和調(diào)制解調(diào)器都屬于嵌入式系統(tǒng)； 各種汽車電子設(shè)備和信息家電（ Information Appliances）也大都為嵌入式系統(tǒng)， 如移動電話、網(wǎng)絡(luò)可視電話、網(wǎng)絡(luò)游戲機(jī)、商務(wù)通（PDA）、電視機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)、電子閱讀機(jī)等。

1.嵌入式系統(tǒng)的定義

根據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的定義，嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或工廠操作的裝置。

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)，軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有特殊要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。

2.嵌入式系統(tǒng)的特點

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)與通用計算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點：

（1）嵌入式系統(tǒng)是面向特定系統(tǒng)應(yīng)用的。嵌入式處理器大多數(shù)是專門為特定應(yīng)用設(shè)計的，具有低功耗、體積小、集成度高等特點， 一般是包含各種外圍設(shè)備接口的片上系統(tǒng)。

（2）嵌入式系統(tǒng)涉及計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電子技術(shù)、通信和軟件等各行各業(yè)， 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)。

（3）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須具有高度可定制性。只有這樣才能適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需要， 在產(chǎn)品價格性能等方面具備競爭力。

（4）嵌入式系統(tǒng)的生命周期相當(dāng)長。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到產(chǎn)品以后， 還可以進(jìn)行軟件升級， 它的生命周期與產(chǎn)品的生命周期幾乎一樣長。

（5）嵌入式系統(tǒng)不具備本地系統(tǒng)開發(fā)能力， 通常需要有一套專門的開發(fā)工具和環(huán)境。

（6）嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)代碼通常是固化在非易失性存儲器（ROM、 EPROM、EE-PROM和FLASH）芯片中。嵌入式系統(tǒng)開機(jī)后，必須有代碼對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以便其余的代碼能夠正常運行， 這就是建立運行時的環(huán)境。

3.嵌入式系統(tǒng)的分類

（1）按嵌入式微處理器的位數(shù)分類。

嵌入式系統(tǒng)可分為4位、8位、16位、32位和64位等，其中，4位、8位、16位嵌入密式系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量應(yīng)用，32位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢。

（2）按軟件實時性需求分類。

嵌入式系統(tǒng)可分為非實時系統(tǒng)（如PDA）、軟實時系統(tǒng)（如消費類產(chǎn)品）和硬實時系統(tǒng)（如工業(yè)實時控制系統(tǒng)）。實時系統(tǒng)并非是指“快速”的系統(tǒng)，而是指有限定的響應(yīng)時間，從而使結(jié)果具有可預(yù)測性的系統(tǒng)。實時系統(tǒng)與其他普通的系統(tǒng)之間最大的不同之處就是要滿足處理與時間的關(guān)系。在實時計算中，系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計算的邏輯結(jié)果，而且依賴于結(jié)果產(chǎn)生的時間。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都屬于實時系統(tǒng)，根據(jù)實時性的強弱，可進(jìn)一步分為“硬實時系統(tǒng)”和“軟實時系統(tǒng)”。硬實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)對響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求，如果不能滿足響應(yīng)時限，響應(yīng)不及時或反應(yīng)過早，都會引起系統(tǒng)崩潰或致命錯誤，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。軟實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)對響應(yīng)的時間有一定要求，如果在系統(tǒng)負(fù)荷較重的時候，響應(yīng)時間不能滿足，會導(dǎo)致系統(tǒng)性能退化，但不會造成太大的危害。

（3）按嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度分類。

嵌入式系統(tǒng)可分為小型嵌入式系統(tǒng)、中型嵌入式系統(tǒng)和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。

小型嵌入式系統(tǒng)是采用一個8位或者16位的微控制器設(shè)計的，硬件和軟件復(fù)雜度很小，需要進(jìn)行板級設(shè)計。當(dāng)為這些系統(tǒng)開發(fā)嵌入式軟件時，主要的編程工具是使用的微控制器或者處理器專用的編輯器、匯編器和交叉匯編器。通常利用C語言來開發(fā)這些系統(tǒng)。C程序被編譯為匯編程序，然后將可執(zhí)行代碼存放到系統(tǒng)存儲器的適當(dāng)位置上。為了滿足系統(tǒng)連續(xù)運行時的功耗限制，軟件必須放置在存儲器中。

中型嵌入式系統(tǒng)是采用一個16位或者32位的微控制器、DSP或者精簡指令集計算機(jī)（RISC）設(shè)計的，其硬件和軟件復(fù)雜度都比較大。對于復(fù)雜的軟件設(shè)計，可以使用的編程工具包括RTOS、源代碼設(shè)計工具、模擬器、調(diào)試器和集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。軟件工具還提供了硬件復(fù)雜性的解決方法。匯編器作為編程工具來說用處不大。中型嵌入式系統(tǒng)還可以運用已有的ASSP和IP來完成各種功能，例如，總線接口、加密、解密、離散余弦變換和逆變換、TCP/IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)連接功能（ASSP和TP可能還必須用系統(tǒng)軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫拍芗傻较到y(tǒng)總線上）。

復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件都非常復(fù)雜，需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列。它們用于邊緣應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，需要硬件和軟件協(xié)同設(shè)計，并且都集成到最終的系統(tǒng)中。但是，它們卻受到硬件單元所提供的處理速度的限制。為了節(jié)約時間并提高運行速度，可以在硬件中實現(xiàn)一定的軟件功能。

4.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）工業(yè)過程控制

工業(yè)過程控制即對工業(yè)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)流程加以控制。這種控制是建立在對被控對象和環(huán)境不斷進(jìn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)上的。在控制過程中，嵌入式的計算機(jī)處于中心位置，它通過分布在工業(yè)生產(chǎn)中的各個傳感器收集信息，并對這些信息進(jìn)行加工處理和判斷，然后向執(zhí)行器件發(fā)出控制指令。目前，在工業(yè)控制和自動化行業(yè)中使用嵌入式系統(tǒng)非常普遍，例如，智能控制設(shè)備、智能儀表、現(xiàn)場總線設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等。機(jī)器人是很復(fù)雜的嵌入式設(shè)備，甚至配置多個嵌入式處理器，各個處理器通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連。

工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)化、智能化和控制的分散化。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是使用嵌入式系統(tǒng)的典型例子，如路由器、交換機(jī)、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備等。另外，在后PC時代將會產(chǎn)生比PC時代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級嵌入式瘦服務(wù)器。這些瘦服務(wù)器將為人們提供需要的各種信息，并通過Internet自動、實時、方便、簡單地提供給需要這些信息的對象。設(shè)計和制造嵌入式瘦服務(wù)器、嵌入式網(wǎng)關(guān)和嵌入式因特網(wǎng)路由器已成為嵌入式系統(tǒng)的一大應(yīng)用方向，這些設(shè)備為企業(yè)信息化提供了廉價的解決方案。

（3）消費電子產(chǎn)品

后PC時代的消費電子產(chǎn)品應(yīng)具有強大的網(wǎng)絡(luò)和多媒體處理能力、易用的界面和豐富的應(yīng)用功能。這些特性的實現(xiàn)，都依賴于嵌入式系統(tǒng)提供的強大的數(shù)字處理能力和簡潔實用的特性。作為移動計算設(shè)備的PCA和手機(jī)已融合在一起，提供給用戶隨時隨地訪問 Internet的能力。同時它還具有其他信息服務(wù)功能，如文字處理、郵件管理、個人事務(wù)管理和多媒體信息服務(wù)等，而且簡單易用、價格低廉、維護(hù)簡便。

信息電器是指所有能提供信息服務(wù)或通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費類電子產(chǎn)品。它是嵌入式系統(tǒng)在消費類電子產(chǎn)品中的另一大應(yīng)用。如果在冰箱、空調(diào)、監(jiān)控器等家電設(shè)備中嵌入計算機(jī)并提供網(wǎng)絡(luò)訪問能力，用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地地了解家中的情況，并控制家中的相應(yīng)電器。

（4）軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器

軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器是早期嵌入式系統(tǒng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域從來就是許多高新技術(shù)的發(fā)源地，由于內(nèi)裝嵌入式計算機(jī)的設(shè)備反應(yīng)速度快、自動化程度高，所以威力巨大，自然很得軍方青睞。從“愛國者”導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)到戰(zhàn)斗機(jī)的瞄準(zhǔn)器，從M1A2的火控系統(tǒng)到單兵系統(tǒng)的通信器，都可覓得嵌入式系統(tǒng)的蹤跡。

總結(jié)：伴隨著智能時代的到來，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)成為一個越來越熱門的領(lǐng)域。未來的幾年內(nèi)，隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。嵌入式系統(tǒng)是這個后PC時代的擎天之柱，我們有理由相信，未來的電子技術(shù)就是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的天下。

參考文獻(xiàn)：

[1]申華. 嵌入式Linux系統(tǒng)軟硬件開發(fā)及應(yīng)用. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2013

[2]朱珍民. 嵌入式實時操作系統(tǒng)及其應(yīng)用開發(fā). 北京郵電大學(xué)出版社. 2006