嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

馬志剛

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

嵌入式系統(tǒng)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越完善，系統(tǒng)也越來(lái)越穩(wěn)定，并且應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)融入其中，在各個(gè)層面獲得了極大的發(fā)展。其不僅可以有效降低成本，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，非常適合各種應(yīng)用場(chǎng)景。嵌入式系統(tǒng)做大的特點(diǎn)是專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，即每個(gè)芯片都是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，系統(tǒng)相互之間雖然可以存在聯(lián)系，但是，獨(dú)立性較強(qiáng)，因此，可以對(duì)單個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成影響，也因此，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。

1 嵌入式系統(tǒng)概述、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 嵌入式系統(tǒng)的概述

嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大種類(lèi)，相比于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)更為小巧和簡(jiǎn)單。其主要是在一個(gè)ROM中寫(xiě)入一個(gè)控制程序作為一個(gè)嵌入式的處理其控制板。該控制板可以放入各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制和監(jiān)視，比如，工廠的自動(dòng)化機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備、智能家用電器等設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)在我們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，是很多智能家電與自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的核心控制部件，因?yàn)樗鄬?duì)獨(dú)立，因此，可以單獨(dú)進(jìn)行批量生產(chǎn)，然后，與其他部件進(jìn)行組裝即可應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶(hù)需求，如功能、可靠性、成本、體積、功耗以及環(huán)境等不同的要求，靈活裁剪的軟硬件模塊專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)主要分為硬件結(jié)構(gòu)與軟件層面，此外，還有中間層，三種結(jié)構(gòu)共同組成了嵌入式系統(tǒng)，相互配合缺一不可。以下分別進(jìn)行介紹：

（1）硬件層。硬件層是嵌入式系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，盡管嵌入式系統(tǒng)由于應(yīng)用方向不同其外形、操作界面以及功能各不相同，但是，其硬件層的結(jié)構(gòu)是大同小異的。主要有中央的微處理器、存儲(chǔ)器、設(shè)備接口、圖形控制器以及外部設(shè)備等組成。通過(guò)集成電路的連接，嵌入式控制板集成了多項(xiàng)功能。

（2）中間層。中間層指的是硬件層與軟件層之間相互聯(lián)系的結(jié)構(gòu)，其主要是各類(lèi)接口的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，不同的機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出以及硬件設(shè)備初始化等功能。

（3）軟件層。軟件層是嵌入式系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，其是依據(jù)特定的硬件功能和應(yīng)用需求而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。軟件層又可以細(xì)分為驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、中間件層和應(yīng)用層等，不同的層面對(duì)于的功能也不同。驅(qū)動(dòng)層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供硬件驅(qū)動(dòng)或底層核心支持；操作系統(tǒng)層是嵌入式軟件層的核心，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟硬件資源的分配、調(diào)度工作控制、協(xié)調(diào)等功能；中間件層是用于幫助和支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形支持及相應(yīng)開(kāi)發(fā)工具等；應(yīng)用層嵌是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)預(yù)期目標(biāo)的軟件功能設(shè)計(jì)。

1.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

由于不同的應(yīng)用與設(shè)備的功能不同，其對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的要求也不同，因此，嵌入式系統(tǒng)需要獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，相比通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并不受到國(guó)外的限制，因此，在我國(guó)發(fā)展較為具有優(yōu)勢(shì)。總體來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)主要有以下的特點(diǎn)：

（1）專(zhuān)業(yè)性。嵌入式系統(tǒng)是需要根據(jù)用戶(hù)需求與硬件功能獨(dú)立進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的，因此，其具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，不同的系統(tǒng)與設(shè)備不存在通用性，非常具有獨(dú)立性和專(zhuān)業(yè)性。

（2）可裁剪性。嵌入式系統(tǒng)需要適應(yīng)與各種硬件設(shè)備的使用，需要在有限的芯片面積實(shí)現(xiàn)更多可能性的應(yīng)用，因此，要具有可裁減性，以便根據(jù)用戶(hù)的需求對(duì)其功能進(jìn)行縮減或增加，適應(yīng)更多的需求。

（3）可靠性。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，很多設(shè)備應(yīng)用與無(wú)人值守的場(chǎng)合，因此，需要較高的可靠性，以保證其可以持續(xù)穩(wěn)定的提供服務(wù)，避免出現(xiàn)故障與問(wèn)題，造成較嚴(yán)重的損失，以保證設(shè)備的質(zhì)量和更廣泛的應(yīng)用。

（4）能耗低。嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用與小型可移動(dòng)設(shè)備中，為了保證設(shè)備的應(yīng)用時(shí)間和使用效率，因此，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)盡量降低能耗，提高設(shè)備的續(xù)航能力。

（5）存儲(chǔ)量小。嵌入式系統(tǒng)在小型電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，無(wú)法配備質(zhì)量較大的大容量存儲(chǔ)器，主要使用閃存等小容量存儲(chǔ)器，因此，其存儲(chǔ)量較小。

（6）實(shí)時(shí)靈活。隨著物理網(wǎng)的應(yīng)用，智能家具等廣泛采用了嵌入式系統(tǒng)，這要求嵌入式系統(tǒng)可以及時(shí)對(duì)治療做出反饋，并且準(zhǔn)確執(zhí)行控制指令。

（7）開(kāi)發(fā)不便。嵌入式系統(tǒng)無(wú)法自我完善和升級(jí)，需要使用通用計(jì)算機(jī)輔助完成，且需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。

2 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的完善以及應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)也又一次迎來(lái)了較大的發(fā)展機(jī)遇。目前，嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用于以下方面。

2.1 嵌入式系統(tǒng)在交通管理和汽車(chē)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)的高速增長(zhǎng)，近年來(lái)，我國(guó)的汽車(chē)保有量逐年上升，城市交通擁堵問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)城市生活的影響也越來(lái)越大。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)與交通管理中，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行有效的融合，可以實(shí)現(xiàn)真正的智慧交通。對(duì)城市交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)將信息傳遞給車(chē)主，合理規(guī)劃行程，緩解城市交通的緊張情況。不僅可以有效地降低人工的勞動(dòng)成本，而且信息的傳遞與管理也更為高速。此外，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的綜合管理，尤其是對(duì)車(chē)輛電源的管理更為科學(xué)合理，不僅可以節(jié)約汽車(chē)的能耗，而且可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。

2.2 嵌入式系統(tǒng)在消費(fèi)電子方面的應(yīng)用

消費(fèi)電子是近年來(lái)人民消費(fèi)的主要增長(zhǎng)市場(chǎng)之一，隨著電子制造業(yè)水平的提高，消費(fèi)電子未來(lái)的增長(zhǎng)前景也更為廣闊。其中最具有代表的商品是智能手機(jī)的應(yīng)用。但是，除了智能手機(jī)之外，隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的智能消費(fèi)電子產(chǎn)品的種類(lèi)越來(lái)越多，比如，車(chē)載的多媒體系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及各種游戲娛樂(lè)電子產(chǎn)品的應(yīng)用。此外，在電子商務(wù)領(lǐng)域還有自動(dòng)售貨機(jī)、銀行業(yè)中的智能ATM等，還有智慧生活中的智能家電，比如，智能空調(diào)、智能電視以及智能洗衣機(jī)等使用嵌入式系統(tǒng)的消費(fèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)深入我們生活的方方面面，并且極大地改變了我們的生活。

2.3 嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制方面的應(yīng)用

工業(yè)化發(fā)展是人類(lèi)最偉大的進(jìn)步之一，其極大地提高了人類(lèi)的生產(chǎn)力，隨著第三次工業(yè)革命進(jìn)入尾聲，第四次工業(yè)革命呼之欲來(lái)，人們對(duì)第四次工業(yè)革命充滿(mǎn)了憧憬。而中國(guó)智造是我國(guó)對(duì)于第四次工業(yè)革命的目標(biāo)與努力方向。在中國(guó)智造的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，嵌入式系統(tǒng)必不可少，目前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種智能工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，其有賴(lài)于嵌入式系統(tǒng)的高效應(yīng)用。在工業(yè)控制中，嵌入式系統(tǒng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，與人工智能相結(jié)合也是未來(lái)中國(guó)智造實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)之一。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用不只體現(xiàn)在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，在其他環(huán)節(jié)也有所體現(xiàn)，比如，智能輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)等等。總之，工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)一直伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

3 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

（1）系統(tǒng)化。隨著嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其功能類(lèi)型與需求種類(lèi)也越來(lái)越多樣化，其結(jié)構(gòu)形式與開(kāi)發(fā)也越來(lái)越復(fù)雜，隨著實(shí)際需求的提高，對(duì)嵌入式的開(kāi)發(fā)也提出了更高的要求，但是，嵌入式系統(tǒng)不能自我完善和改進(jìn)，因此，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具將向著系統(tǒng)化的方向不斷發(fā)展，以更適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求。比如，WindowCE配備的開(kāi)發(fā)工具為EmbeddedVC++，我國(guó)中科院開(kāi)發(fā)的Hopen嵌入式操作系統(tǒng)等。

（2）生活化。如今，應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備、家電與工具已經(jīng)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶(hù)的生活中，為了提高其可操作性與實(shí)用性，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的操作越來(lái)越傻瓜化、生活化。比如語(yǔ)音輸入、手寫(xiě)輸入等操作方式的應(yīng)用。隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將會(huì)越來(lái)越靠近生活。

（3）網(wǎng)絡(luò)化。當(dāng)今社會(huì)是網(wǎng)絡(luò)社會(huì)，尤其是隨著5G通訊技術(shù)的成熟以及物聯(lián)網(wǎng)的逐步實(shí)施，萬(wàn)物互聯(lián)已經(jīng)開(kāi)始逐漸實(shí)現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)作為我們生活中常用的設(shè)備與工具，與網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行結(jié)合成為勢(shì)在必行的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段，新型的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始支持網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)化是未來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)之一。

（4）精簡(jiǎn)化。隨著信息技術(shù)與制造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將以越來(lái)越精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)在更小的芯片體積上實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多功能的集合，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高其功能性。

（5）智能化。人工智能技術(shù)是當(dāng)今的熱門(mén)技術(shù)之一，嵌入式系統(tǒng)與人工智能技術(shù)相融合可以實(shí)現(xiàn)小型智能機(jī)器人的應(yīng)用，與其他智能設(shè)備相結(jié)合，可以有效提高生產(chǎn)生活的智能化水平，是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的深化發(fā)展，人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及5G通信技術(shù)的成熟和應(yīng)用，嵌入式技術(shù)將獲得更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能豐富，在人類(lèi)的生產(chǎn)生活中發(fā)揮了極大的作用，未來(lái)也必將創(chuàng)造更大的價(jià)值，做出更大的貢獻(xiàn)。