嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況與其發(fā)展前景

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況及其發(fā)展前景隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越普及，這些產(chǎn)品的發(fā)展得益于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，如Mp3、手機等日常用品就是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應用。但嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應用還遠不止此，在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理、網(wǎng)絡及電子商務、航天航空、軍事設備、船舶等領域都有著重要的應用。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)正悄然地影響著我們的生活，給我們帶來了巨大的便利。它在我們的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應用，并且有著良好的發(fā)展前景。一、嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個階段：第一階段：單片微型計算機（SCM）階段，即單片機時代。這一階段的嵌入式系統(tǒng)硬件是單片機，軟件停留在無操作系統(tǒng)階段，采用匯編語言實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。這階段的主要特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能相對單一、處理效率低、存儲容量也十分有限，幾乎沒有用戶接口。第二階段：微控制器（MUC）階段。主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。這一階段主要以嵌入式微處理器為基礎、以簡單操作系統(tǒng)為核心，主要特點是硬件使用嵌入式微處理器，微處理器的種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高。第三階段：片上系統(tǒng)（SOC）。主要特點是：嵌入式系統(tǒng)第1頁

能夠運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好，操作系統(tǒng)的內(nèi)核小，效果好。第四階段：以Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式網(wǎng)絡化主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是嵌入式處理器集成了網(wǎng)絡接口，另一方面是嵌入式設備應用于網(wǎng)絡環(huán)境中。二、嵌入式系統(tǒng)的含義目前，嵌入式系統(tǒng)還沒有比較權(quán)威、比較統(tǒng)一的定義，人們從不同的角度來理解嵌入式系統(tǒng)，描述嵌入式系統(tǒng)。1．從應用角度：嵌入式系統(tǒng)被定義為以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪、適應系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。2．從計算機角度：嵌入式系統(tǒng)是指嵌入式計算機及其應用系統(tǒng)，是指嵌入各種設備及應用產(chǎn)品內(nèi)部的計算機系統(tǒng)，它主要完成信號控制的功能，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個件部埋藏于所控制的裝置中。它提供用戶接口、管理有關(guān)信息的輸入輸出、監(jiān)控設備工作，使設備及應用系統(tǒng)有較高智能與性價比。3．從技術(shù)角度：嵌入式系統(tǒng)是計算機技術(shù)，通信技術(shù)，半導體技術(shù)，微電子技術(shù)，語音圖象數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)與具體應用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代密集，投資強度大，高度分散，不斷創(chuàng)新的知識密集型系統(tǒng)。反映當代最新技術(shù)的先進水平。4、從綜合角度：嵌入式系統(tǒng)定義為現(xiàn)代科學多學科互相融第2頁

合的以應用技術(shù)產(chǎn)品為核心，以計算機技術(shù)為基礎，以通信技術(shù)為載體，以消費類產(chǎn)品為對象，引入各類傳感器，進入Internet網(wǎng)絡技術(shù)的連接，從而適應應用環(huán)境的產(chǎn)品。三、嵌入式系統(tǒng)特點1．專用性強嵌入式系統(tǒng)面向特定應用，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)的小型化。2．技術(shù)融合嵌入式系統(tǒng)將先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)與電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合，是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。3．軟硬一體，軟件為主軟件是嵌入式系統(tǒng)的主體，有IP核。嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件都可以高效率地設計，量體裁衣，去除冗余，可以在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。4．比通用計算機資源少由于嵌入式系統(tǒng)通常設計成只完成少數(shù)幾個任務。設計時考慮到經(jīng)濟性，不能使用通用CPU，這就意味著管理的資源少，其成本低，結(jié)構(gòu)更簡單。5．具有固化在非易失性存儲器中的代碼為了提高執(zhí)行速度與系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤中。第3頁

6．需專門開發(fā)工具與環(huán)境嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具與環(huán)境才能進行開發(fā)。7．體積小、價格低、工藝先進、性能價格比高、系統(tǒng)配置要求低、實時性強四、嵌入式系統(tǒng)的分類目前嵌入式系統(tǒng)除了部分為32位處理器外,大量存在的是8位與16位的嵌入式微控制器(MCU)。根據(jù)其發(fā)展現(xiàn)狀,嵌入式計算機可以分成下面幾類:1．嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中,將微處理器裝配在專門設計的電路板上,只保留與嵌入式應用有關(guān)的母板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積與功耗。2．嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微控制器又稱單片機。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成ROMPEPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時P計數(shù)器、WatchDog、IPO、串行口、脈寬調(diào)制輸出、APD、DPA、FlashRAM、E2PROM等各種必要功能與外設。3．嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignal第4頁

Processor,EDSP)DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與指令進行了特殊設計,使其適合于執(zhí)行DSP算法,編譯效率較高,指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域,DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能,過渡到采用嵌入式DSP處理器。4．嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)隨著EDI的推廣與VLSI設計的普及化,及半導體工藝的迅速發(fā)展,在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是SystemOnChip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設計公司的標準庫,與許多其它嵌入式系統(tǒng)外設一樣,成為VLSI設計中一種標準的器件,用標準的VHDL等語言描述,存儲在器件庫中。五、嵌入式系統(tǒng)軟件的特征1．軟件要求固態(tài)化存儲為了提高執(zhí)行速度與系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯在磁盤中。2．軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性盡管半導體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫與編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。第5頁

3．操作系統(tǒng)軟件具有高實時性在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對各項任務進行統(tǒng)籌兼顧、合理調(diào)度是保證系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，單純提高處理器的速度是無法完成這些要求的，也是沒有效率的，這種任務調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此操作系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。六、嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點嵌入式系統(tǒng)則不同,它是一個分散的工業(yè),充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新,沒有哪一個系列的處理器與操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流,但各不相同的應用領域決定了不可能有少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領域的產(chǎn)品與技術(shù),必然是高度分散的,留給各個行業(yè)的中小規(guī)模高技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。另外,社會上的各個應用領域是在不斷向前發(fā)展的,要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展,這也構(gòu)成了推動嵌入式工業(yè)發(fā)展的強大動力。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的,如果獨立于應用自行發(fā)展,則會失去市場。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約,這些也是各個半導體廠商之間競爭的熱點。七、嵌入式系統(tǒng)的應用領域及其發(fā)展前景嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應用，其應用領域可以包括：1．工業(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設備將獲得長第6頁

足的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在應用中，網(wǎng)絡化是提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。2．交通管理：在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。3．信息家電：這將稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過線、網(wǎng)絡進行遠程控制。4．家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)更高，更準確與更安全的性能。5．POS網(wǎng)絡及電子商務：公共交通無接觸智能卡發(fā)行系統(tǒng)，公共卡發(fā)行系統(tǒng)，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活。6．環(huán)境工程與自然：水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源與空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)無人監(jiān)測。7．機器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化，高智第7頁

能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領域與服務領域獲得更廣泛的應用。嵌入式控制器的應用幾乎無處不在:工業(yè)控制、交通管理、電子商務……無不有它的蹤影。嵌入控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點,其應用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領域,對各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動化化進程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動作用。嵌入式