嵌人式系统综述

    嵌入式系统是当今非常热门的研究领域。在PC市场已趋于稳定的今天，嵌入式系统市场的发展速度却正在加快。由于嵌入式系统所依托的软硬件技术得到了快速发展，因此这几年嵌入式系统自身获得了快速发展。根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，在21世纪初的10年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10倍到100倍的商机。有机构估计，全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过1万亿美元。随着技术的发展，业内对嵌入式系统的定义也越来越清晰。它是微处理器、大规模集成电路、软件技术和各种具体的行业应用技术相结合的结果，其．中各种软件技术占了嵌入式系统80%的工作量。可以说，嵌入式系统是不可垄断、需要不断创新的技术。

    嵌入式系统最初应用主要以单片机系统为核心，其应用领域非常广泛。但单片机系统功能简单，速度较慢，难以适应现代技术的快速发展。特别是随着工业、医疗卫生和国防等部门对智能控制需求的增长，对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度方面提出了更高的要求。为适应各方面的需求，嵌入式微处理器体系结构经历了一个从CISC到RISC，从4位、8位、16位、32位到64位，寻址空间从64K到16MB甚至更大，处理速度从0.1 MIPS到200OMIPS，常用封装从8脚到144引脚的过程。微处理器的功耗也有了明显降低，其集成度进一步提高，涌现了大量的SOC（System OnChip）系统。在嵌入式系统中，嵌入式处理器是核心，嵌入式处理器有硬核和软核之分。常用的嵌入式处理器硬核有ARM、MIPS、PowerPC、Intel x86和Motorola 68000．等：Altera公司开发的16/32位嵌入式处理器软核NIOS以及NIOSII, Xilinx公司推出的32位，哈佛结构的RISC处理器软核MicroBlaze等。

    1 嵌入式系统的基本概念

    对嵌入式系统通常可从如下几方面来理解：

    （1）狭义而言，人们一般将埋藏在宿主设备中的专用的、使用者看不见的微处理器系统称为嵌入式系统。常见的单片机系统就是一种典型的初级的嵌入式系统。

    （2）广义而言，计算机可以作为某种技术过程的核心处理环节，直接与真实世界自然地接口与互动，按照环境事件的节拍主动、协调地做出响应，也就是“嵌入”到了一个技术过程中。成为一种嵌入式计算机。实现这种技术过程的系统就可着成嵌入式系统。在大系统中，嵌入式计算机不一定是可见的。

    （3）嵌入式系统面向用户、面向产品和面向应用，必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更有优势。与应用紧密结合，具有很强的专用性。

    （4）嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合，是技术密集、资金密集、高度分散和不断创新的知识集成系统。   

    （5）嵌入式系统必须根据应用需求对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。比较好的发展模式是：首先建立相对通用的硬件和软件基础，然后开发出适应各种需要的嵌入式系统。

    2 嵌入式系统的特点和分类

    作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统比较，具有以下特点：

    （l）及时响应；（2）并发处理；（3）专用性强；（4）多样性；（5）技术密集；（6）专门开发工具支持；（7）实时操作系统支持。

    嵌入式系统可以分为两类，最早的是“板”上系统，现在已经发展为“片’上系统。其中，“板”上系统指的是采用通用微处理器如单片机，或嵌入式微处理器如ASIC、DSP和FPGA等可配置操作系统的半导体产品在 PCB（印制电路板）上“拼装”成的系统，而“片”上系统指的是采用单片机或嵌入式微处理器的IP在集成电路内“拼装”成的系统。目前，这两种“拼装”的嵌入式产品已经在航空航天、交通、电子、通信、工控、金融、家电等行业得到广泛应用。

    3 嵌入式系统应用的高低端

    由于嵌入式系统有过很长一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。且大多数从事单片机应用开发人员，都是基于对象系统领域中的电子系统工程师，加之单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念。因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往将其理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一到“嵌入式系统”中。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合性。

    4 嵌入式系统开发

    嵌入式系统开发需要开发工具和环境，通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。由于嵌入式系统本身不具备自开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。

    嵌入式系统应用程序可以没有操作系统的支持直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

    5 嵌入式系统的应用

    目前，嵌入式系统已广泛应用于办公自动化、信息家电、移动通讯、手持信息设备、工业控制以及军事等领域。且大多数实时系统都是嵌入式应用，在这种系统中，计算机是一种智能部件，内装于专用设备／系统的高速计算机。一般是不能被用户编程，也不需要用户知道装置内有计算机存在。典型的应用包括：

    （1）过程控制：对生产过程中的各种动作流程进行控制。这种控制是在被控对象和环境进行不断检测的基础之上做出及时的、恰当的反应。在控制过程中，计算机扮演着中心的角色。它通过传感器从外部接受有关过程的信息，对这些信息进行加工处理，然后对执行机构发出控制指令。

    （2）网络通信：、程控交换机、路由器、BB机、手机、交接器、集线器和 Modem等是网络通信的必要设备。

    （3）智能仪器：如示波器、医疗仪器等。

    （4）消费电子：掌上电脑、数字电视、游戏机、洗衣机和微波炉等属于家庭和办公所用消费电子产口口。

    （5）计算机外设：包括打印机、扫描仪、终端和磁盘驱动器等。

    （6）军事电子：如雷达、电子对抗、坦克、战机和战舰等。

    6 嵌入式系统发展前景

    嵌入式系统已深入到人们生活的各个领域，它的应用几乎无处不在。嵌入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用。对于通用计算机而言，其发展为功能电脑，普遍进入社会，而嵌入式计算机发展的目标是专用电脑，实现“普遍化计算”，因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。正如我国资深嵌入式系统专家—沈绪榜院士的预言，“未来十年将会产生针头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”，将为我们提供无限的创造空间。总之“嵌入式微控制器或者说单片机好像是一个黑洞，会把当今很多技术和成果吸引进来。中国应当注意发展智力密集型产业”。

   7 结束语

    发展嵌入式系统技术和应用是贯彻我国“信息化带动工业化，工业化促进信息化”方针，促进我国产品向数字化、网络化、智能化升级换代的关键技术，并将加速我国传统工业改造，增强综合工业实力和国民经济的发展。嵌入式系统技术的推广应用，将会提高各行业的信息化水平和产品的高附加值，必将有利于国家财政收入的快速增长。