嵌人式系統綜述

    嵌入式系統是當今非常熱門的研究領域。在PC市場已趨于穩定的今天，嵌入式系統市場的發展速度卻正在加快。由于嵌入式系統所依托的軟硬件技術得到了快速發展，因此這幾年嵌入式系統自身獲得了快速發展。根據美國嵌入式系統專業雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統市場需求量具有比PC市場大10倍到100倍的商機。有機構估計，全世界嵌入式系統產品潛在的市場將超過1萬億美元。隨著技術的發展，業內對嵌入式系統的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規模集成電路、軟件技術和各種具體的行業應用技術相結合的結果，其．中各種軟件技術占了嵌入式系統80%的工作量。可以說，嵌入式系統是不可壟斷、需要不斷創新的技術。

    嵌入式系統最初應用主要以單片機系統為核心，其應用領域非常廣泛。但單片機系統功能簡單，速度較慢，難以適應現代技術的快速發展。特別是隨著工業、醫療衛生和國防等部門對智能控制需求的增長，對嵌入式微處理器的運算速度、可擴充能力、系統可靠性、功耗和集成度方面提出了更高的要求。為適應各方面的需求，嵌入式微處理器體系結構經歷了一個從CISC到RISC，從4位、8位、16位、32位到64位，尋址空間從64K到16MB甚至更大，處理速度從0.1 MIPS到200OMIPS，常用封裝從8腳到144引腳的過程。微處理器的功耗也有了明顯降低，其集成度進一步提高，涌現了大量的SOC（System OnChip）系統。在嵌入式系統中，嵌入式處理器是核心，嵌入式處理器有硬核和軟核之分。常用的嵌入式處理器硬核有ARM、MIPS、PowerPC、Intel x86和Motorola 68000．等：Altera公司開發的16/32位嵌入式處理器軟核NIOS以及NIOSII, Xilinx公司推出的32位，哈佛結構的RISC處理器軟核MicroBlaze等。

    1 嵌入式系統的基本概念

    對嵌入式系統通常可從如下幾方面來理解：

    （1）狹義而言，人們一般將埋藏在宿主設備中的專用的、使用者看不見的微處理器系統稱為嵌入式系統。常見的單片機系統就是一種典型的初級的嵌入式系統。

    （2）廣義而言，計算機可以作為某種技術過程的核心處理環節，直接與真實世界自然地接口與互動，按照環境事件的節拍主動、協調地做出響應，也就是“嵌入”到了一個技術過程中。成為一種嵌入式計算機。實現這種技術過程的系統就可著成嵌入式系統。在大系統中，嵌入式計算機不一定是可見的。

    （3）嵌入式系統面向用戶、面向產品和面向應用，必須與具體應用相結合才會具有生命力，才更有優勢。與應用緊密結合，具有很強的專用性。

    （4）嵌入式系統將先進的半導體技術、計算機技術和電子技術以及各個行業的具體應用相結合，是技術密集、資金密集、高度分散和不斷創新的知識集成系統。   

    （5）嵌入式系統必須根據應用需求對硬件和軟件進行裁剪，以滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積和功耗等要求。比較好的發展模式是：首先建立相對通用的硬件和軟件基礎，然后開發出適應各種需要的嵌入式系統。

    2 嵌入式系統的特點和分類

    作為專用計算機系統的嵌入式系統與通用計算機系統比較，具有以下特點：

    （l）及時響應；（2）并發處理；（3）專用性強；（4）多樣性；（5）技術密集；（6）專門開發工具支持；（7）實時操作系統支持。

    嵌入式系統可以分為兩類，最早的是“板”上系統，現在已經發展為“片’上系統。其中，“板”上系統指的是采用通用微處理器如單片機，或嵌入式微處理器如ASIC、DSP和FPGA等可配置操作系統的半導體產品在 PCB（印制電路板）上“拼裝”成的系統，而“片”上系統指的是采用單片機或嵌入式微處理器的IP在集成電路內“拼裝”成的系統。目前，這兩種“拼裝”的嵌入式產品已經在航空航天、交通、電子、通信、工控、金融、家電等行業得到廣泛應用。

    3 嵌入式系統應用的高低端

    由于嵌入式系統有過很長一段單片機的獨立發展道路，大多是基于8位單片機，實現最底層的嵌入式系統應用，帶有明顯的電子系統設計模式特點。且大多數從事單片機應用開發人員，都是基于對象系統領域中的電子系統工程師，加之單片機的出現，立即脫離了計算機專業領域，以“智能化”器件身份進入電子系統領域，沒有帶入“嵌入式系統”概念。因此，不少從事單片機應用的人，不了解單片機與嵌入式系統的關系，在談到“嵌入式系統”領域時，往往將其理解成計算機專業領域的，基于32位嵌入式處理器，從事網絡、通信、多媒體等的應用。這樣，“單片機”與“嵌入式系統”形成了嵌入式系統中常見的兩個獨立的名詞。但由于“單片機”是典型的、獨立發展起來的嵌入式系統，從學科建設的角度出發，應該把它統一到“嵌入式系統”中。考慮到原來單片機的電子系統底層應用特點，可以把嵌入式系統應用分成高端與低端，把原來的單片機應用理解成嵌入式系統的低端應用，含義為它的底層性以及與對象系統的緊耦合性。

    4 嵌入式系統開發

    嵌入式系統開發需要開發工具和環境，通用計算機具有完善的人機接口界面，在上面增加一些開發應用程序和環境即可進行對自身的開發。由于嵌入式系統本身不具備自開發能力，必須有一套開發工具和環境才能進行開發，這些工具和環境是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。

    嵌入式系統應用程序可以沒有操作系統的支持直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。

    5 嵌入式系統的應用

    目前，嵌入式系統已廣泛應用于辦公自動化、信息家電、移動通訊、手持信息設備、工業控制以及軍事等領域。且大多數實時系統都是嵌入式應用，在這種系統中，計算機是一種智能部件，內裝于專用設備／系統的高速計算機。一般是不能被用戶編程，也不需要用戶知道裝置內有計算機存在。典型的應用包括：

    （1）過程控制：對生產過程中的各種動作流程進行控制。這種控制是在被控對象和環境進行不斷檢測的基礎之上做出及時的、恰當的反應。在控制過程中，計算機扮演著中心的角色。它通過傳感器從外部接受有關過程的信息，對這些信息進行加工處理，然后對執行機構發出控制指令。

    （2）網絡通信：、程控交換機、路由器、BB機、手機、交接器、集線器和 Modem等是網絡通信的必要設備。

    （3）智能儀器：如示波器、醫療儀器等。

    （4）消費電子：掌上電腦、數字電視、游戲機、洗衣機和微波爐等屬于家庭和辦公所用消費電子產口口。

    （5）計算機外設：包括打印機、掃描儀、終端和磁盤驅動器等。

    （6）軍事電子：如雷達、電子對抗、坦克、戰機和戰艦等。

    6 嵌入式系統發展前景

    嵌入式系統已深入到人們生活的各個領域，它的應用幾乎無處不在。嵌入式系統工業是專用計算機工業，其目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用。對于通用計算機而言，其發展為功能電腦，普遍進入社會，而嵌入式計算機發展的目標是專用電腦，實現“普遍化計算”，因此可以稱嵌入式智能芯片是構成未來世界的“數字基因”。正如我國資深嵌入式系統專家—沈緒榜院士的預言，“未來十年將會產生針頭大小、具有超過一億次運算能力的嵌入式智能芯片”，將為我們提供無限的創造空間。總之“嵌入式微控制器或者說單片機好像是一個黑洞，會把當今很多技術和成果吸引進來。中國應當注意發展智力密集型產業”。

   7 結束語

    發展嵌入式系統技術和應用是貫徹我國“信息化帶動工業化，工業化促進信息化”方針，促進我國產品向數字化、網絡化、智能化升級換代的關鍵技術，并將加速我國傳統工業改造，增強綜合工業實力和國民經濟的發展。嵌入式系統技術的推廣應用，將會提高各行業的信息化水平和產品的高附加值，必將有利于國家財政收入的快速增長。