《嵌入式系统带的应用和发展前景》

嵌入式系统的应用和发展前景卢阿威（河南科技大学电子信息工程学院自动化1202班学号：121404010219）摘要：本文从嵌入式系统的概念、组成、功能特点、发展和生活及工业上的应用来阐述论题。

并且通过列举嵌入式系统应用的例子，来说明嵌入式系统应用的广泛性。

关键词：嵌入式系统家电行业Linux机器人嵌入式系统的概念嵌入式系统(Embedded System)是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，它的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。

在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。

现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。

一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和一般的PC操作系统的最大区别）。

嵌入式系统的发展历史从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。

70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。

这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

最早的单片机是Intel公司的 8048，它出现在1976年。

Motorola同时推出了68HC05，推出Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。

之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。

从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。

确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。

其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VXWORKS、QNX公司的QNX 等。

这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。

这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。

这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。

除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及国内的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系统。

随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。

嵌入式系统的组成一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。

执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。

执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如ＳＯＮＹ智能机器狗，上面集成了多个微上控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受种状态信息。

嵌入式系统的特点这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。

另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出。

1．系统内核小。

由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。

比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。

2．专用性强。

嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。

同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

3．系统精简。

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

4．高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。

而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。

5．嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。

嵌入式系统的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（Real－Time Operating System）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。

6．嵌入式系统开发需要开发工具和环境。

由于设计完成以后用户通常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，这些工具和环境一般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。

开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

嵌入式系统的应用嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：1、工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。

2、交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。

目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。

3、信息家电：这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。

即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。

在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。

4、家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。

目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

5、POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。

6.、环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。

在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。

7.、机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。

就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。

同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。

所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。

家电行业是嵌入式应用的一大行业，我们传统的电视，电冰箱当然其中也嵌有处理器，但是这些处理器只是在控制方面应用。

而现在只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求，具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。

据IDG发布的统计数据表明，未来信息家电将会成长五至十倍。

中国的传统家电厂商向信息家电过渡时，首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。

硬件方面，进行智能信息控制并不是很高的要求，目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求，真正的难点是如何使软件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。

Linux核心可以起到很好的桥梁作用，作为一个跨平台的操作系统，它可以支持二三十种CPU ，而目前已有众多家电业的芯片都开始做Linux的平台移植工作。

1999年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人一个数字家庭的概念，引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来，虽然最终未能获得成功，却使信息家电深入人心。

如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片，英特尔公司已专为信息家电业研发了名为StrongARM的ARM CPU系列，这一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片组，它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能，即硬件系统实现了SOC的概念。

美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上，这是第一次把Linux、图形界面和一些程序进行完整移植（QUARK的内核只有143K），它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。