浅谈嵌入式系统的现状及发展前景

浅谈嵌入式系统的现状及发展前景

Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】

课程考核论文

课 程 名 称 信息学导论

学 生 姓 名 曾文静

系 、专 业 信息工程系电子科学与技术专业

2013年 6 月 15 日

浅谈嵌入式系统的现状及发展前景

摘要:从嵌入式系统的含义、特点、开发平台及其工业特征出发,深入阐述了嵌入式计算机技术的发展现状,展望了嵌入式系统产业在我国的广阔发展前景景。

1. 嵌入式系统的发展趋势及典型应用产品

在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作管理和生产控制的计算机"机器"；各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。

近几年，嵌入式系统产品日臻完善，并在全世界各行业得到广泛应用。嵌入式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。

随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术将全面展开，现在嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。总体来说，嵌入式系统分别在硬件和软件方面获得发展。嵌入式系统必将成为当今IT界的又一焦点，开发自主知识产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，对于我们国家的民族IT产业来讲具有十分重要的战略意义。从国内IT市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和Internet衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。

在消费家电的智能化的今天，嵌入式更显重要。像我们平常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3Player、数字相机（DC）、数字摄像机（DV）、U-Disk、机顶盒（SetTopBox）、高清电视（HDTV）、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等，都是典型的嵌入式系统。据预测，随着Internet的迅速发展和廉价微处理器的出现，嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域。

例如，行车称重无线遥测调度系统:由贵溪冶炼厂和北京市自动化系统成套工程公司合作开发，用在贵溪冶炼车间。具体要求为系统前端由安装在行车上的行车工作站(3台)构成，行车工作站将行车称重信号转换成数字信号，并将采集的数字信号经处理后，通过无线电台传送给地面接收电台，接收电台将信号传输给地面工作站，地面工作站将接收到的信号进行归纳处理、监视，通过双绞线传送给闪速炉、阳极炉操作室显示，通过以太网传送给5台转炉操作并显示，传送给车间办公室终端，车间办公室进行最终的数据归纳、生成报表并打印。其中行车工作站主要采用PC/104数据采集卡和研华公司英寸饼干PC机PCM-4，该机主板上带有LoadbusIDE,VGA/LCD口，2个串口，1个并口和软驱接口，并附16M电子硬盘，体积小巧却达到了486级工业PC的配置水平。显示屏采用EL致发光屏(带触摸屏)，通过RS232接口与调制解调器及数据传输电台相连。行车工作站采用Windows32操作系统和组态王版软件，实现数据采集、输入行车运行状态、参数计算、显示功能，并在该软件基础上开发无线数据通讯

2.嵌入式系统介绍

嵌入式系统的含义及分类

嵌入式系统被定义为:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

嵌入式系统的分类

目前嵌入式系统除了部分为32位处理器外,大量存在的是8位和16位的嵌入式微控制器(MCU),嵌入式系统是计算机应用的另一种形态,正如前所述它与通用计算机应用不同:嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。目前根据其发展现状,嵌入式计算机可以分成下面几类:

(1)嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

(2) 嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROMPEPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时P计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出、APD、DPA、FlashRAM、E2PROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

(3) 嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域,DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。

(4) 嵌入式片上系统(SystemOnChip)

随着EDI的推广和VLSI设计的普及化,及半导体工艺的迅速发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临,这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库,和许多其它嵌入式系统外设一样,成为VLSI设计中一种标准的器件,用标准的VHDL等语言描述,存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统,仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去,应用系统电路板将变得很简洁,对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

嵌入式操作系统与通用操作系统的不同

嵌入式操作系统，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

常见的嵌入式操作系统

嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。目前嵌入式操作系统呈现多元话趋势主要有：DOS

虽然微软Windows系统已经称霸了PCDesktop环境。但是对于嵌入式系统这块大饼，微软也是垂涎已久，桌上型的Windows桌业系统对于嵌入式系统来说自然是太过于肥大的产物，于是微软推出精简版的微软一系列Windows系统一般，WindowsCE也承袭了原有的缺点：耗系统资源、不稳定、效率不佳..等等。毛病实在太多，后来将整个架构重新改写后推出版,或称PocketPC。改版之后的确改进了不少缺点。

Palm：由Palm Computing公司的嵌入式操作系统，目前最大的应用在PDA，是市场占有率最高的PDA操作系统，Palm操作系统架构非常简洁，因为少去了很多功能，如内存管理、多任务..等等，使得Palm可以非常不耗系统资源，硬件需求低，连带的整体耗电量便可压缩到非常低，因此采用Palm操作系统的PDA都有待机时间长的优点。

Linux：linux采用GPL授权，除了把原始码公开以外，任何人都可以自由使用、修改、散布，而Linux核心本身采模块化设计，让人很容易增减功能，例如我的平台并不需要蓝芽的功能，我只要不把这项功能加入，有需要就加入，不需要就删除，由于这样的高的弹性，我们可以调校出最适合我们硬件平台的核心出来

嵌入式系统工业的特点

嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业

嵌入式系统则不同,它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流,但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外,社会上的各个应用领域是在不断向前发展的,要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。

嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键,对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。

①软件要求固态化存储

为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。

②软件代码高质量、高可靠性

尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。

③系统软件(OS)的高实时性是基本要求

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,如果独立于应用自行发展,则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约,这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。

嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件,一般都固化在只读存储器中,而不是以磁盘为载体,可随意更换,所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外,各个行业的应用系统和产品,和通用计算机软件不同,很少发生突然性跳跃,嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性,发展比较稳定。

多任务嵌入式系统中,对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键,单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的,这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成,因此系统软件的实时性是基本要求。

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。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,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。

嵌入式系统软件需要RTOS开发平台

通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API),是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统(OS)平台上面运行,但一般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;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。

通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的,要求更多的计算机以外的专业知识,其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。

三、简单的嵌入式系统

简单的嵌入式设备往往由按钮，发光二极管(LEDs)，和仅仅能显示小字符或数字的显示器，以及简单的菜单系统组成。

较为复杂的嵌入式系统拥有的完整的图形屏幕、触摸感应或屏幕边缘按钮在最大限度地使用空间的同时，提供了足够的灵活性：指点控制是很自然的非常理想的操控方式，这样的方式可以改变的屏幕意义。

在嵌入式系统设计中有许多不同的CPU架构，如ARM、MIPS、Coldfire/68k、PowerPC、X86、PIC、Intel8051、AtmelAVR、RenesasH8、SH、V850、FR-V、M32R、DMCU等。PC/104标准是小型、小批量嵌入式和ruggedized系统设计的基础。这些系统通常使用DOS、Linux、NetBSD或者如QNX、Inferno这样的实时嵌入式操作系统。

大批量生产的嵌入式系统的通常配置是系统单芯片(en:SystemOnChip)，它是一个专用集成电路，CPU是外购的知识产权并且添加到集成电路设计中。一个类似的常用机制是使用可编程门阵列，所有的逻辑包括CPU部分都可以编程实现。许多时髦的FPGA都是为这个目的设计的。

四、启动

嵌入式系统带有启动代码，通常它禁止中断、设置电子设备参数、测试计算机（RAM、CPU和软件），然后开始应用程序运行。许多嵌入式系统从短暂的掉电状态恢复，经常重起而不进行最近的自检。在十分之一秒内重起是常见的现象。内部自检

许多嵌入式系统都有一定程度或者一定数量的内部加电自检，自检有几种类型：

1.计算机检查：检查CPU、RAM和程序存储器。通常一加电就开始这些检查，在一些安全性非常重要的系统中，通常周期性地在安全时间间隔内进行自检，或者经过一段时间就进行自检。

2.外围设备检查：仿真输入和读入数据或者测量输出数据。有大量的通信、模拟和控制系统都有这些非常廉价的检查。

3.电源检查：通常测试每个供电电路，也可能检查电池或者主电源输入。通常供电部分的负载都很重，并且少有余量，所以这项检查很有意义。

4.通信检查：验证从相连单元接收到的简单消息，例如在互联网上使用ICMP消息“ping”。

5.电缆检查：将线连结到待检查的电缆上指示针进行检查。如电话这样的同步通信系统经常使用“同步”测试。电缆检查成本很低，当单元部分有插头的时候这项检查尤其重要。6.装备检查：一个系统在安装时经常需要进行调整，这项检查就向安装人员做出状态指示。7.消耗检查：检查系统所消耗的东西、在预量太低时发出警告。最常见的例子是汽车的油量表，最复杂的例子可能是维持化学反应物详细状态的自动医学分析系统。8.运行检查：检查用户关心的系统运行状态。显然，在系统运行时必须进行这项检查，这方面的检查包括飞机上的导航仪器、汽车的速度表和磁盘的指示灯等。9.安全检查：在'安全时限'内进行检查确保系统仍然可靠。安全时限通常小于能够产生损害的最小时间。

五、可靠性体系

根据人们需求的不同可靠性也有不同的定义，有意思的事，可靠性的类型却相对较少，相似可靠性类型的系统使用相似类型的内在检查和恢复方法：1.系统非常不安全或者无法修理。这包括太空系统、水下电缆、导航灯塔、钻孔系统，非常奇怪的是还包括汽车和大规模生产产品。总的来说，嵌入式系统检测各个子系统、在线切换到冗余部分或者工作在“limp模式”提供部分的功能。大规模生产的消费产品如汽车、个人电脑或者打印机也属于这个类别，这是因为与购买的费用相比维修费用高昂、维修人员又路途遥远。2.系统不能安全地停止运行。这包括飞机导航、反应控制系统、重要的化学工厂安全控制、铁路信号、单发动机飞机的发动机，如上所述，但是“limp模式”较难容忍，通常需要操作员选择备份系统。3.系统停机时将会造成大量的金钱损失。这些包括电话交换机、工厂控制、桥梁和电梯控制、资金转移、市场开发、自动销售和服务等，这些系统通常有一些运转/不运转测试，它们通常带有在线冗余或者使用替换系统和人工过程的limp模式。4.系统不安全的时候不能操作。同上面的情况类似，系统的运行将会造成大量的金钱损失。医疗设备、带有发动机这样的热备份的飞行器、化学工厂控制、自动股票交易、游戏系统等。测试可能是五花八门，但是出错时能够做的就是停止整个系统。

六、嵌入式系统的应用前景

嵌入式控制器的应用几乎无处不在:移动电话、家用电器、汽车……无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器。在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

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;通用计算机的发展变为功能电脑,普遍进入社会,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象是一个黑洞,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”。

七、嵌入式课程学习总结

嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一，可应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络及电子商务、环境检测和机器人等方面。ARM技术的IP在许多领域已经取得了很大的成功。我们有理由相信，未来的电子技术就是嵌入式系统技术的天下。

嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要。

学习嵌入式，显然应偏重于嵌入式软件，特别是嵌入式操作系统方面。对于搞嵌入式软件的人，最重要的技术显然是：1）掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理2）必须掌握一个嵌入式操作系统3）必须熟悉嵌入式软件开发流程并至少做过一个嵌入式软件项目。

嵌入式系统，从小的方面来说，很多人都做过。一个单片机为核心的小的电子系统，包括了软件和硬件。但是，在很多人的心目中，单片机就是51，软件就是自己从头用汇编写的监控程序，然后实现自己的功能。事实是这样的吗单片机等于51吗市场上的单片机何止上千种，从4位到8位到16、32、64位，功能差的只有控制功能，功能强的运算能力超过一般台式机，我们所作的，是根据自己的需求，熟练程度，资源以及性价比来选择所需。同样从软件的角度来讲，嵌入式系统的规模越来越大，对可靠性和实时性的要求越来越高，再也不是自己从头做一个监控程序，利用键盘驱动的时代了，大多数的嵌入式系统都采用了操作系统。这就对开发人员提出了更高的要求，需要对操作系统的原理比较了解。

通过一学期的学习，我详细了解了嵌入式系统的设计步骤、设计方法和相应接口电路的参考原理图、硬件调试方法以及部分驱动程序。但在实践性上则相对欠缺。所以我想对老师提个建议，加强实践性的教学，如果能够做些比较有意义的嵌入式小系统，我想这会对想学好这门课的人有个更深刻的理解。嵌入式技术的掌握是需要一个过程的实事求是的说，嵌入式技术的全面掌握是有相当难度的。可以轻轻松松学会嵌入式技术的说法是夸大其词了。所以真正掌握的话是需要一步步积累才能熟练掌握。所以我必须做一些准备：把心踏实下来，注意学习方法，尽量不要走弯路。在我看来，嵌入式技术的掌握，本身呢就比较难，要是再走些弯路，时间上会浪费，甚至会影响学习的信心

参考文献

[1] 马洪连，等 嵌入式系统设计系统

[2] 吕京建,肖海桥 嵌入式处理器分类与现状.

[3] 何立民.建设单片机应用平台,实施平台开发战

[4] 吕京建,肖海桥 嵌入式系统开发工具及RTOS平台.