浅谈嵌入式计算

计算机概论课论文1浅谈嵌入式计算0.引言伴随着时代的进步，计算机以及计算机技术已经大量的运用到我们的生活之中，各行各业对于计算机的计算以及处理能力也有了更高的要求，随之而来的就是现代计算机的技术革新，而大量广泛使用的嵌入式计算机便是其中的一种。科学技术的高速发展，便捷高效也显得越来越为重要，对于设备的要求而言，使用者们逐渐倾向于外型美观、操作简便、使用价值高、实时性更高的发展方向，嵌入式系统应运而生。作为嵌入式计算的核心，嵌入式系统的研发以及改进也越发显得重要。随着以计算机和软件为核心的数字化技术的迅速发展，多媒体技术与互联网的应用迅速普及。计算机﹑通讯﹑消费电子一体化的趋势日趋明显。作为新型智能3C合一的嵌入式系统与技术进入智能化﹑网络化的发展阶段。目前,嵌入式系统在工业、农业、家庭等各个领域中的应用已越来越广。嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是现代计算机技术改造传统产业、提升许多领域技术水平的有力工具。但随着后PC时代的来领，一个属于“大数据”的时代局面已经打开，这也就意味着嵌入式计算面临的新的挑战，我们需要新的解决方案来应对这一趋势，并在科技发展的大潮流之中推广并提升嵌入式计算。1.嵌入式系统的基本概念1.1.嵌入式系统的定义IEEE曾经对嵌入式系统的定义是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”，这主要是从应用对象上加以定义，涵盖了软硬件及辅助机械设备。目前国内普遍认同的嵌入式系统的定义是“嵌入式系统是将计算机嵌入某个应用系统内的一种计算机体系结构形式”，简单来说，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件能灵活变化以适应所嵌入的应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统定义的诞生，是为了区别原有的通用计算机系统，给在微型机时代诞生的“把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制”的计算机所下的一个定义。计算机在其诞生的30年的发展历程中，一直作为庞大而昂贵的设备，直到超大规模集成电路技术的出现和发展时期，以微处理器为核心的微型计算机出现之后，才使计算机有了历史性的转变。以小型、廉价、可靠性高而著称的微型计算机引起了计算机业内人士的高度兴趣，他们要求把这种微型机嵌入到一个对象体系之中，实现智能化控制。这样一来，所形成的能够实现智能化控制的计算机便有别于普遍意义上的通用计算机，为了进行区分，便将这种新型计算机体系形式命名为“嵌入式系统”。嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。由于嵌入式系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向，它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各行业的具体运用相结合的产物。1.2.嵌入式系统的构成嵌入式系统主要由负责计算的核心部分（即嵌入式计算）以及其他外部设备构成。外部设备通常是嵌入式计算机需要控制和管理的对象，在具体的应用中有千变万化的组合，在此不做多余介绍，本文主要介绍的是嵌入式计算摘要：本文综述了嵌入式系统的概念、构成、特点及优点，嵌入式系统的应用，并论述了大数据时代下嵌入式系统的发展趋势与面临的新挑战。关键词：嵌入式计算嵌入式系统定义应用模式应用实例嵌入式系统可信平台模块移动数据库浅谈嵌入式计算余维航2模块的构成。1.2.1嵌入式硬件(1)嵌入式处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心组成部分，其作用相当于系统的大脑，目前常用的嵌入式微处理器包括通用微处理器/微控处理器(MPU/MCU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)和可编程逻辑门阵列(FPGA)等。由于嵌入式设备的处理器必须高度紧凑、低功耗、低成本，针对每一类应用来说，开发者对处理器选择都是多种多样的，设计者在选择处理器是要考虑的主要因素如下：调查市场上已有的CPU供应商处理器的处理速度处理器的功耗技术指标处理器的支持工具处理器供应商是否提供评估板(2)存储器存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分，它主要用于存储程序指令、数据以及其他重要的系统配置细节，是嵌入式计算机系统中的记忆设备。在嵌入式系统中使用的存储器可以是内部存储器，如随机存储单元RAM、只读存储单元ROM等，也可以是外部存储器，如闪存FlashMemory、硬盘等。(3)输入/输出设备输入/输出设备常用于系统与外界交互，一个嵌入式应用系统要实现它的功能，必须与外界对象进行沟通，当外界环境或者变量发生变化时，连接到嵌入式系统的传感器就能够感知检测这种变化，然后根据相应计算策略修改或控制变量并执行预定的操作。1.2.2嵌入式软件为了配合嵌入式硬件，并且达到应用时对于设备的需求，嵌入式软件应运而生。一般来说嵌入式系统的软件采取两种形式，一种是不需要操作系统的应用软件，另一种是以嵌入式操作系统为主的系统软件。应用软件是指用于实现嵌入式系统所需特定功能的程序，是嵌入式系统针对特定的实际专业领域、基于相应的嵌入式硬件平台、并能完成用户预期任务的计算机软件；嵌入式操作系统在高要求下，能够合理利用系统有限资源、实现对系统众多任务有效调度的。随着嵌入式系统复杂程度的提高，嵌入式操作系统已经成为嵌入式系统中最重要的组成部分，应用软件也都建立在其基础之上。2.嵌入式系统的特点1.可裁剪性。支持开放性和可伸缩性的体系结构。2.强实时性，需要对外部事件迅速作出反应的能力。嵌入式操作系统实时性一般较强，可用于各种设备控制中。3.强稳定性，弱交互性。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，嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，大多需要长期连续运行，这就要负责系统管理的嵌入式操作系统具有较强的稳定性和较高的可靠性；嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。4.操作方便、简单、提供友好的图形GUI和图形界面，追求易学易用。3.嵌入式系统的应用3.1嵌入式系统的应用模式浅谈嵌入式计算余维航3发展至现今的嵌入式系统的特点决定了它是多学科的交叉点，既需要计算机领域的专业人员从软件技术、工程应用等方面进行深层次的开发研究，也需要传统电子领域的人员从电路特性、外围电路设计等方面对已有的嵌入式系统进行进一步的提升。1.客观形成的两种模式从嵌入式系统的发展历程来看，客观上形成了两种应用模式：电子系统设计模式与计算机应用设计模式。起源于微型机时代的嵌入式计算机，与通用计算机不同，仅仅只提供基本的算术运算功能。当嵌入式计算机进入独立发展的单片机时代之后，便以器件形态迅速转入了传统电子技术领域中。当时对其进行研究开发的人员大多是电子应用工程师，计算机专业队伍的人员并没有真正进入其应用领域，所以早期对嵌入式计算机的研发方向是将嵌入式计算机实现电子智能化，即所谓的电子系统设计模式。这种应用模式最重要的特点是：缺少计算机工程设计方法；软、硬件的底层型以及结合的随意性；对象系统专业技术的密切相关性。但随着后pc时代的到来，网络、通信技术得以发展，用户对于嵌入式系统的要求不仅仅局限于简单的电子化智能操作，更多的面向于数据化、智能化，并要求将网络与通信技术应用到其中；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用设计模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。2.两种应用模式的并存与互补由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外，随着对于嵌入式系统要求的提高，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但由于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等计算机工程方面。计算机专业人员不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用，电子工程师也不可能替代计算机专业人员在软件技术、工程应用等方面提升嵌入式系统的作用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术，从而进一步研究怎样创造更适合于开发软件的硬件结构与更为人性化、智能化的外围设备；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等，从而更好地做到软件与硬件结构的优化结合。3.2嵌入式系统的应用情况1.嵌入式系统的应用领域嵌入式系统是当前最热门IT应用领域之一，消费电子、智能家电、网络设备、医疗仪器、航天设备、工业控制以及计算机系统等都是嵌入式系统可进行应用的领域，由此可以看出嵌入式系统强大的应用能力。2.嵌入式系统的应用实例(1)嵌入式移动数据库所谓的移动数据库是支持移动计算的数据库,有两层含义:一是用户在移动的过程中可以联机访问数据库资源；二是用户可以带着数据库移动。典型的应用场合有在开着的救护车上查询最近的医院。该系统由前台移动终端、后台同步服务器组成，移动终端上有嵌入式实时操作系统和嵌入式数据库。(2)嵌入式系统在智能家居网络中的应用智能家居网络(E-Home)指在一个家居中建立一个通信网络，为家庭信息提供必要的通路；在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上家电和设备的控制和监测。其网络结构的组成必然有家庭网关。家庭网关主要实现控制网络和信息网络的信号综合并与外界接口，以便作远程控制和信息交换。不论是网关，还是各家电上的控制模块，都需有嵌入式操作系统。这些操作系统必须具有内嵌式、实时性好、多用户的特点。(3)基于小范围无线通信协议的嵌入式产品以蓝牙为代表的小范围无线接入协议与嵌入式系统的结合，必将推动嵌人式系统的广泛应用。近来，基于这些浅谈嵌入式计算余维航4协议的嵌入式产品层出不穷，包括各种电话系统、无线公文包、各类数字电子设备以及在电子商务中的应用。这些产品以其微型化和低成本的特点，为它们在家庭和办公室自动化、电子商务、工业控制、智能化建筑物和各种特殊场合的应用开辟了广阔的前景。4.嵌入式系统的发展趋势1.功能更加强大的嵌入式硬件、硬件开发工具以及开发软件嵌入式系统技术水平的提升要求嵌入式系统厂商不仅要提供技术水平更高的嵌入式硬件，还要提供功能更加强大的硬件开发工具和软件包。大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先pc机上编写软件，再进行软件的移植工作，这就需要开发人员在pc机上编写软件时，注意软件的可移植性，选用具有较高移植性的编程语言(如C语言)，尽量少调用操作系统函数，注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐、位段的空间分配方向以及代码优化问题。2.提供强大的网络支持功能对网络化、信息化的需求随着国际互联网技术的日益成熟、带宽的增加而日益迫切，这就要求嵌入式系统芯片提供强大的网络支持功能。为适应网络发展的要求，新一代的嵌入式系统芯片已经开始内嵌网络接口，且不仅支持TCP/IP协议，还支持IEEE1394、USB、CAN、蓝牙或IrDA通信接口中的一种或几种，同时还提供相应的通信网络协议软件和物理层驱动软件。3.支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件密切结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法，优化编译器性能。建立实时数据库，进行更快速度的数据分析以便满足用户应用需求。4.建立嵌入式系统可信平台，提高嵌入式系统的安全性能随着信息化发展,嵌入式系统得到了最为广泛的应用。小到电子手表、家用电器、自助取款机，大到汽车、火车、飞机、火箭，嵌入式系统已经深入到经济、教育、科技和军事的方方面面。在