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嵌入式系统的发展与前景【摘要】随着科技的不断发展，人们在现实生活中对计算机的需求越来越高，人们不仅要求计算机能够随时随地的工作，而且对计算机的实用性提出了更高的要求。嵌入式系统在通信、自动化控制、信息家电和军事等领域应用也就得到迅猛的发展，市场对嵌入式开发人员的需求也日趋上升。下面我将简要的分析嵌入式系统的发展历程和阐述其体系架构和特点，以及未来的发展趋势。【关键词】嵌入式系统发展趋势应用领域研究前景随着科技的不断发展，生活水平的日益提高。在这个人才竞争如此激烈的21世纪，“科学技术是第一生产力”依旧是一个永恒不变的话题。电子类的产品快速的更新换代便是科技发展的一个重要标志。以电子管为主要电路元件的第一代电子计算机，采用晶体管制造的第二代电子计算机，一直到把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统的第五代电子计算机。计算机俨然遍布了我们生活的每一个角落，对于每个当代人来说，需要的已经不再仅仅是那种简单的办公需求、人与人沟通的一种聊天工具。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，它的应用越来越广泛，任何一个普通人都能拥有各种使用嵌入式技术的电子产品，如我们生活中必不可少的设备：手机、微波炉、数字电视、路由器等等。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，工业机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。从此看来，社会对嵌入式产品开发人才的需求量也将越来越多。因此，许多高校都开设了嵌入式系统开发方面的系列课程。一嵌入式系统的分类：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。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下面几类：(1)．单个微处理器这类系统可以在小型设备中(如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路0器)找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。这类设备受Y2K影1响的可能性不大。(2)．不带计时功能的微处理器装置这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。这类设备也不太可能受到Y2K的影响。但是，如果它依赖于一个内部操作时钟，那么这个时钟可能受Y2K问题的影响。(3)．带计时功能的组件这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组体可同Pc机一起操作，并可包括某种数据库(如事件数据库)。(4)．在制造或过程控制中使用的计算机系统对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用于总体控制和监视，而不是对单个设各直接控制。过程控制系统可与业务系统连接(如根据销售额和库存量来决定定单或产品量)。二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今天各式各样的嵌入式微处理器，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。作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。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。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：(1)无操作系统阶段嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结2束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上系统的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。(2)简单操作系统阶段20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，Ic制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I／O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I／0设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的操作系统开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。(3)实时操作系统阶段20世纪9O年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统(RTOS)，并开始成为嵌入式系统的主流。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面(GUI)等功能，并提供了大量的应用程序接口(API)，从而使得应用软件的开发变得更加简单。(4)面向Internet阶段21世纪无疑将是～个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，随着Internet的进一步发展，以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密嵌入式设备与Internet的结合才是嵌入式技术的真正未来。信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式系统厂商提出3了新的挑战。目前，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化：新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。三当前常见的嵌入式操作系统：国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有40种左右。现在，市场上非常流行的EOS产品，包括3Com公司下属子公司的PalmOS，全球占有份额达50%，Microsoft公司的WindowsCE不过29%。在美国市场，PalmOS更以80%的占有率远超WindowsCE。开源的Linux很适于做信息家电的开发。比如：中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式Linux和美商网虎公司开发的基于Xlinux的嵌入式操作系统“夸克”“夸克”是目前全世界最小的Linux，它有两具很突的出的特点，就是体积小和使用GCS编码。嵌入式操作系统的主要应用领域有工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境工程与自然、机器人等。四目前嵌入式系统的发展水平：嵌入式系统设计的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前嵌入式系统设计模式主要有下面几类：4（1）、基于ASIC（专用集成电路）的嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)，ASIC是在一个芯片上定制设计的硬件。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，目前16位和32位CPU的ARM系列是嵌入式系统应用的主流微处理器。（2）、DSP系统（DigitalSignalProcessor，数字信号处理器），DSP系统是一种类似于微处理器的的设备，不同的是它内部的CPU被优化，用于特定的应用，如离散信号处理。除了标准的微处理器指令外，DSP常常支持复杂指令集去非常快地完成通用的信号处理计算。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。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。（3）、SoC系统，随着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SoC。他对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。（4）、基于现场可编程逻辑器件FPGA（FieldProgrammableGateArray）的嵌入式系统设计，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。（5）、SoPC系统，随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路板上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。SoPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SoPC还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。五嵌入式技术的发展趋势和应用领域：随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术也将获得广阔的发展空间。美国著名学者尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言，4至5年后嵌入式智能工具将是PC和Internet之后最伟大的发明。在硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包。目前，底层系统的硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有，巨大的市场需求给我们提供了学习嵌入式技术的机遇。5在软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外的嵌入式实时操作系统有WinderRiver、QNX和Nuclear等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，比如科银京城公司的DeltaSystem开发平台，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。它们的关系可以用以下的图形表示：嵌入式技术可应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。事实上，嵌入式技术无处不在，我们不仅拥有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”，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，如MP3、PDA、手机、智能玩具、电子病历、智能血压计、无线收费设备、超市物流设备、网络家电、智能车载电子设备、安全监控装置、GPS、倒车雷达等。目前最典型的嵌入式产品要数蓝牙技术了，蓝牙技术在日常生活中应用最广的就是在支持蓝牙的手机通话设备上，如手机蓝牙耳机，车载免提蓝牙，蓝牙使驾驶更安全，很多车主都感到开车时接听电话不方便：一只手扶着方向盘，另一只手举着电话接听，不但妨碍换挡、影响安全，两只眼睛盯着前车还得四下踅摸警察，12分实在不禁罚；车载免提系统接听电话比较方便，将双手空出来，6让手做它该做的事。以太电子为了宣传其蓝牙技术甚至推出了一款精巧带太阳能充电器的免提蓝牙——黑金刚。黑金刚使用锂电池，并配置特别的太阳能充电器。驾驶员可以接听电话不必戴耳机而且可以减低其他声音的干扰，显示出浓烈的科技韵味。六嵌入式的研究前景：嵌入式系统概念的受到重视是