嵌入式系統的應用與開發分析

鄭 巧

（西南石油大學 計算機科學學院，成都 610500）

1 嵌入式系統概述

1.1 概念

嵌入式系統是以應用為中心，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，所用的計算機稱為嵌入式計算機。這類系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及應用程序等四個部分組成，實現對其它設備的控制、監視、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中。

1.2 特點

與通用型計算機系統相比，嵌入式計算機系統具有以下特點：

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，一旦設計完成就不再改變。嵌入式系統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、不斷創新的知識集成系統。

4）系統對用戶是透明的

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的設計細節，用戶也不能改變它。

5）嵌入式計算機系統大多數是實時控制系統

例如工業儀器、控制裝置、數控系統、信息家電、軍用設備和控制系統等

6）系統配量專一，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)以及適用環境所決定的。

2 嵌入式操作系統的應用

2.1 應用現狀

嵌入式操作系統的引入解決了嵌入式軟件開發標難化的難題。它為解決嵌入式系統中軟件的比重逐漸增加、應用程序越來越大，對開發人員、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。基于嵌入式操作系統平臺上開發出的程序，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交流，減少重復勞動，提高知識創新的效率。

嵌入式計算機系統起源于微型機時代，但很快就進入到獨立發展的單片機時代。在單片機時代，嵌入式系統以器件形態迅速進入到傳統電子技術領域中，以電子技術應用工程師為主體，實現傳統電子系統的智能化，而計算機專業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。這種應用模式最重要的特點是：軟、硬件的底層性和隨意性；對象系統專業技術的密切相關性；缺少計算機丁程設計方法。

由于嵌入式系統最大、最廣、最底層的應用是傳統電子技術領域的智能化改造，因此，以通曉對象專業的電子技術隊伍為主，用最少的嵌入式系統軟、硬件開銷，以8位機為主，帶有濃重的電子系統設計色彩的電子系統應用模式會長期存在下去。另外，計算機專業人士會愈來愈多地介入嵌入式系統應用，但由于對象專業知識的隔閡，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軟件技術；計算機應用設計模式應從電子系統設計模式中，了解嵌入式系統應用的電路系統特性、基本的外圍電路設計方法和對象系統的基本要求等。

2.2 應用領域

嵌入式系統將會在以下領域內得到蓬勃發展：

1）3G應用

目前，消費電子產品的網絡功能與傳統的工業控制嵌入式系統一樣，成為嵌入式系統的兩大市場，3G無疑將為嵌入式系統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，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，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

在傳統家電企業和IT企業兩大陣營的共同推動下，智能家電的研發開始出現新的高潮。

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的各種身份識別產品，在實現國家穩定發展、信息安全共享中，發揮著重要的作用。

7）工業安全

盡管技術的發展日新月異，工業生產自動化的程度越來越高，可是工業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控系統成為煤炭行業安全生產的重要保證。

3 在現實生活中的應用開發

即使是不可見的，嵌入式系統也無處不在。嵌入式系統也出現在許多產業中，包括工業自動化、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)的導彈制導系統和福特的汽車中都包含了大量的嵌入式系統。

在日常生活中，世界各地的人們使用嵌入式系統，但未必知道它們。事實上，嵌入式系統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。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。下面的幾小節提供了更明顯的嵌入式實例。

3.1 家庭環境中的嵌入式系統

隱藏在大量家用電器中的嵌入式系統充滿了整個家庭。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有多種形式，包括安全系統、電視的有線或衛星接收盒、家庭影院系統和電話自動應答機。由于微處理器中的先進性可以改進普通產品的功能，所以嵌入式系統推動了更多的家庭背景的產品的開發。

3.2 工作環境中的嵌入式系統

嵌入式系統也改變著人們從事的職業。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

在家庭、工作場所，甚至是娛樂場所，嵌入式系統非常興旺發達。裝備有車內導航系統的汽車可以安全、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掩蓋了的便攜式音樂播放機的復雜性。

嵌入式系統與其他技術的結合給傳統的低技術世界帶來了效益。例如，GPS技術用衛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。

嵌入式系統使傳統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，這為嵌入式系統的發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面向系統化、網絡化、智能化、普適化、低成本、低功耗、高性能、高可用等技術的發展。

4.1 低成本與低功耗技術

隨著人們對節省能源、設備小型化等問題的重視，要求嵌人式硬件系統實現高可靠性、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、系統的綜合布局。

4.2 軟硬件協同設計與優化

嵌入式系統開發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；優化編譯器性能，精簡程序代碼和提高代碼的執行效率。因此，既要軟件人員有豐富經驗，更需要發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展，視頻、音頻信息的處理水平越來越高，為嵌入式系統的多媒體化創造了良好的條件，嵌入式系統的多媒體化將變成現實。同時，嵌入式系統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(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什么樣的網絡協議，才能將這樣的嵌入式系統／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享用豐富的網絡應用服務。

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