嵌入式系统发展与展望

嵌入式系统发展与展望

摘 要:

通过对嵌入式技术的概念、发展以及现状的介绍，阐述了嵌入式技术的未来走向——数字家庭，以及与之息息相关的4个研发

趋势。

关键词:嵌入式 趋势 数字家庭 网络化；

基于嵌入式系统的概念，阐述嵌入式系统的关键技术、嵌入式开发以及广泛的应用。首先，分析嵌入式系统的技术特点，分别从嵌入式处理器和嵌入式操作系统两方面介绍，着重说明它不同于其它操作系统的一些处理方法和过程；在此基础上阐述嵌入式软件的开发过程，并结合作者嵌入式软件开发的实践，着重阐述嵌入式软件的一些开发技巧。接着，介绍目前嵌入式系统一些流行的应用，以及南京东大移动互联技术有限公司自行研制的基于蓝牙技术的嵌入式产品。最后，给出作者的体会，展望嵌入式系统的前景。

现在凡是移动电话、个人数字助理、电视、冰箱等民生电子产品，电动脚踏车、电动汽车等电动工具的控制核心，无不与嵌入式系统息息相关。另外，家电、玩具、汽车、新一代手机、数码相机、先进的医疗仪器，乃至于将来的智能型房屋、智能型办公室，更是缺少不了嵌入式系统这个核心技术。

1. 嵌入式系统的基本概念

在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC（Post-PC）时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。

1970年左右出现了嵌入式系统的概念，此时的嵌入式系统很多都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。当应用系统越来越复杂、利用的范围越来越广泛的时候，每添加一项新的功能，都可能需要从头开始设计。没有操作系统已成为一个最大的缺点了。

C语言的出现使操作系统开发变得简单。从上世纪80年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面，比较著名的有VxWorks、pSOS和Windows CE等等，这些操作系统大部分是为专有系统而开发的。另外，源代码开放的嵌入式Linux，由于其强大的网络功能和低成本，近来也得到了越来越多的应用。

根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备”。有上述可知，嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，亦可覆盖机械或其他的附属设备。[1]

从另一个角度看，嵌入式系统主要是嵌入在宿主设备中，用于实现对宿主设备的控制、监视和管理等功能，一般不被设备使用者所注意，因此称为“嵌入式”[2]

嵌入式系统与嵌入式操作系统密不可分。嵌入式系统是使用特定嵌入式软件完成特定功能的计算机系统，而嵌入式操作系统作为软件的组成部分，为嵌入式软件的开发和运行提供良好的环境。所以嵌入式系统和嵌入式操作系统是两个不 1 同的概念。

1.1嵌入式系统有以下特点：

（1）体积小。嵌入式系统大多使用闪存作为存储介质,这就要求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。

（2）实时性。大多数嵌入式系统都是强实时多任务系统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统。

（3）特殊的开发调试环境。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译/连接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。[2]

1.2 嵌入式系统的技术特点：

嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点。

（1）嵌入式处理器

嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：PowerPC、Motorola 68000、ARM系列等等。

嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8051。

嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理的分析等领域，DSP正在大量进入嵌入式市场。

（2）微内核结构

大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。一些桌面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。

大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。

（3）任务调度

在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多任务运行的实现实际是靠CPU在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式调度是指，一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完，这就是时间片轮转调度。

目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式 2 调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。

（4）硬实时和软实时

有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统：硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。

（5）内存管理

针对有内存管理单元（MMU）的处理器设计的一些桌面操作系统。

2.嵌入式技术的发展及现状

2.1 嵌入式技术的发展经历

第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。

第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。

第四阶段是以Internet为标志的嵌入式

2.1 嵌入式技术的发展经历

第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。

第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。

第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。随着互联网的发展以及互联网技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与互联网的结合将代表嵌入式系统的未来。[3]

2.2 嵌入式技术的现状

在嵌入式产业应用上，以端点销售/服务为主的POS（销售点终端,Point of）系统，则是目前较为主要的应用。尤其是在零售业方面，越来越多的零售业者在店内使用POS解决方案作为提供增加客户服务以及结账功能的方式。[4]

消费类电子产品，比如数字电视、机顶盒等是嵌入式系统未来发展有潜力的产品。手持装置也是相当重要的一个领域。

3.嵌入式技术的未来趋势

从应用角度来看，嵌入式系统主要向设备控制网络化发展。

因特尔公司提出了嵌入式技术下一步的发展将是数字家庭的观点，于是信息工业领域的厂商提出信息家电的概念，家电厂商也提出了蓝色家电（融合计算机技术的新型家用电器）的概念。

通过无线网络的连接，计算机、电视、冰箱及音响，这些以往被视为单独的家用电子产品，在统一通信标准协议的支持下，能够相互支持运行，彼此互相操作并且分享内容，让用户利用手持移动设备轻易的操控，这就是未来数字家庭的美好蓝图。

经过了许多人共享一台计算机的大型主机时代，一人一台计算机的个人PC 3 时代以后，下一时代就是一人多台运算设备的移动运算时代，也就是无所不在运算。无所不在运算也有人称为环绕智能，具有下列特点：

(1)嵌入的：环境里分布许多隐藏起来的设备。

(2)情景感知的：可以知道周围状况。

(3)个性化的：可以依据需求量身定做，而且可以识别身份。

(4)可自适应的：可以依据周围的环境作不同的反应。

(5)可预知的：可以预知用户的喜好，不需要一直询问。

为实现上述特点，嵌入式技术的研发趋势有4个方向：材料与制造科技、智能型软件设计、传感器技术与网络合作能力。[1]

材料与制造技术包括制造运算能力更强大的微处理器、缩小设备的体积、制造微小的传感器与制动器以及延长电池的寿命等。

智能型软件设计要达到人性化的操作，特别是在人工智能与生物信息科技领域方面。比如通过语音操作或是自然语言的方式来达到人性化操作的要求。

传感器技术是未来达到情景感知的重要基础，做出检测范围宽、准确度高、可靠性高、响应速度快、互换性好、寿命长Sale感器是该领域的目标。同时也需要智能型处理与算法，帮助判断所检测到的大量信号。

网络合作能力指寻找网络、自我配置、传输路径规划与重建、取得网络伙伴的能力信息、传递自我能力等。

目前网络协议IPv4是数字家庭网络所采用的网络与连接技术标准。采用IP技术有如下优点：

(1)IP允许应用程序在不同的网络媒体上使用，达到连接的目的。

(2)IP允许家庭里的设备与网络连接。

(3)IP联机价格经济。[1]

由于现阶段IPv4技术使用已经饱和，所以互联网工程任务组定义了下一代网络协议IPv6技术。IPv6有扩展地址容量、自动地址配置、提高服务质量、提供认证私密性以及支持移动服务等优点，对于数字家庭网络的设备来说，提供充足的发展空间。

4.结语

嵌入式应用已由工业、通信和网络扩展到与数字多媒体相关的消费领域，其发展形势验证了全球数字化革命的倡导者尼古拉斯·尼葛洛庞帝的预言：嵌入式软件及系统应用是PC和互联网之后最伟大的应用发明。

嵌入式技术正在快速地影响和改变着我们的生活，未来将是一个嵌入式的世界，也为致力于嵌入式领域的厂商提供了很好的机遇。