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嵌入式系统综述

嵌入式系统综述报告

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嵌入式系统综述

Xx

（xxxxxxxxxxxx）

摘要：

以嵌入式系统的日常应用引入，从嵌入式系统的含义、组成、特点及分类出发，对嵌入式系统的发展进行深入介绍；嵌入式技术是当今最热门的技术之一，在发展上与Internet技术融合成为趋势；随信息网络时代快速发展，在各领域中嵌入式系统得到了广泛应用；分析了嵌入式新一轮的发展面貌。

关键词:

嵌入式系统；Internet技术融合；发展趋势；广泛应用

ReviewofEmbeddedSystem

LiQiang

（SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan,621010）

Abstract:

Indailyapplicationoftheembeddedsystemintroducedfromthedefinition,composition,characteristicsandclassificationoftheembeddedsystem,in-depthintroductiontothedevelopmentofembeddedsystems;Embeddedtechnologyisoneofthehottesttechnologytoday,withtheInternettechnologyonthedevelopmentoffusionastrenden;Withtherapiddevelopmentofinformationnetworkera,embeddedsystemhasbeenwidelyusedinvariousfields；Analysisoftheembeddedfaceanewroundofdevelopment

Keywords:

Embeddedsystem；Internettechnologyintegration；Thedevelopmenttrend;Widelyused

1引言

不论是日常生活中经常使用的家庭自动化产品、家用电器、手提电话、自动柜员机（ATM），还是各行各业的办公设备、现代化医疗设备、航空电子、计算机网络设备、用于工业自动化和监测的可编程逻辑控制器（PLCs），甚至是娱乐设备的固定游戏机和便携式游戏机等都属于嵌入式系统。

嵌入式系统始于微型机时代的嵌入式应用，通过将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象系统的智能化控制。

随着科技的不断发展，在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化。

而后，随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展，形成了基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用的计算机应用模式[1]。

当前，由于网络与Internet的家庭化，使消费电子、计算机、通信（称3C）趋于一体化，从人们在生活中使用的手机、PDA、电视、电冰箱的等民用电子和通信产品，到导弹、卫星通信、潜艇等军用的控制核心。

所以从嵌入式系统的发展趋势来看，未来嵌入式发展将会与Internet技术融合。

面向大众生活，和用于各领域中去[2]。

2嵌入式系统的组成及分类

嵌入式系统被定义为：

以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。

其中外围硬件设备和用户应用程序皆是基于不同的用户需求而有相应的不同的硬件及相关软件[3]。

2.1嵌入式系统的分类

嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。

范围极其广阔，从最初的4位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位、64位嵌入式CPU。

处理器可以分为以下几类：

嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统。

2.2嵌入式操作系统

嵌入式系操作系统，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。

嵌入式系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

嵌入式操作系统主要有：

Vxwork、QNX、PalmOS、WindowCE、嵌入式Linux等

2.3嵌入式系统的组成

嵌人式系统是一个集软、硬件于一体（如图1所示）,可独立工作,满足特定应用的固件。

2.3.1硬件系统

嵌人式系统的硬件平台具有多样性,有些小的系统仅有1K的数据空间,16K的程序空间,而一些高性能的系统如工作频率达1GHZ的64位系统,其FLASHMEMORY达犯M,SRAM达128M,这要由其特定应用目标决定的。

但典型嵌人式系统的硬件部分包括微处理器、存储器及外设器件和I/0端口、图形控制器等。

与通用计算机系统不同的是,它一般没有像硬盘那样大容量的存储介质,而大多使用EpROM、EEPROM或闪存作为存储介质。

2.3.2软件系统

嵌人式软件系统主要由嵌人式操作系统（EOS）和嵌人式应用程序二部分组成。

嵌人式操作系统的作用仍是补平硬件的差异,为各应用程序提供统一的系统接口,完成内存管理、任务调度的控制。

与我们熟知的通用操作系统（如MS一window系列）不同,由于本身自带ROM的容量有限,通常做的较小,最小达10一20K。

嵌人式应用程序就是在EOS的基础上完成特定的应用任务,控制系统的运作和行为。

但是,嵌人式系统本身不具备自举开发能力,用户要实现二次开发必须有一套开发工具和环境。

3嵌入式系统的特点[4]

1.体积小。

与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中,不具备像硬盘那样大容量的存储介质,要能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,它大多使用的存储介质为闪存（FlashMemory）,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.因此,嵌入式操作系统必须结构紧凑,体积微小.

2.可靠性高。

嵌入式系统麻雀虽小,五脏俱全,软件除操作系统外,还需有完成嵌入式系统功能的应用软件,硬件除了CPU外,还需有外围电路支持,微处理器、微控制器、DSP已构成嵌入式系统硬件的基础。

3.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。

4.实时性。

大多数嵌入式系统都是实时系统,而且多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。

实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为研究的一个热点,主要探讨实时多任务调度算法和可调度性,死锁解除等问题。

5.嵌入式系统开发需要开发工具和环境。

由于其本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也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,提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的.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.其中的集成图形界面开发平台包括编辑器,调试器,软件仿真器和监视器等.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。

4嵌入式系统发展趋势---与Internet技术融合[5]

4.1嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持随着因特网技术的成熟、带宽的提高，电气结构也更为复杂。

同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

4.2联网成为必然趋势：

为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。

针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持。

4.3微软的嵌入式系统产品WindowsEmbedded工控系统有着显著的特色，在金融、机械、交通、航空等等行业中广泛地应用着，尤其在自动化、网络化和智能化等方面具有特殊的优势。

而WindowsEmbedded工控系统所具有的良好的抗震性、抗冲击性、防异物侵入等特点，也让它适用于恶劣的工矿生产环境中。

同时，WindowsEmbedded还拥有优异的通信能力。

除了可以应用到传统行业之外，WindowsEmbedded还广泛应用在航空等高技术领域，这一切都得益于WindowsEmbedded拥有优异的可靠性、实时性和安全性。

5嵌入式系统的发展趋势

随着电子和嵌入式软件的不断应用、高度复杂精密的电子与电气系统的应用，我们的产品正变得越来越智慧，人、系统和对象能够以全新的方式通讯和相互作用--世界正变得越来越智慧。

同样，从产品成本关注到产品创新关注的改变也说明了产品研发的景观在不断演化。

这种变化表现在业务目标、产品研发、商业价值三个方面其中产品研发的重点关注展望包括：

产品规划和投资决策更加关键、需求追踪贯穿产品生命周期、整体系统设计和协同研发、质量是产品的重中之重、更加关注软件工程方面。

嵌入式发展趋势有以下几个方面[6]：

•低功耗嵌入式系统为满足高可靠性要求，低功耗的系统将应运而生。

•Java虚拟机与嵌入式Java开发嵌入式系统希望有一个方便的、跨平台的语言与工具，Java正是用Java虚拟机实现Java程序独立于各机种的平台。

经过努力，一个支持嵌入式系统开发的、足够小、足够快、又有足够确定性的嵌入式Java程序包已经出现，Java虚拟机与嵌入式Java将成为开发嵌入式系统的有力工具。

•嵌入式系统的多媒体化和网络化随着多媒体技术的发展，视频、音频信息的处理水平越来越高，为嵌入式系统的多媒体化创造了良好的条件，嵌入式系统的多媒体化将变成现实。

它在网络环境中的应用已是不可抗拒的潮流，并将占领网络接入设备的主导地位。

•嵌入式系统的智能化嵌入式系统与人工智能、模式识别技术的结合，将开发出各种更具人性化、智能化的嵌入式系统。

6嵌入式系统的广泛应用

嵌入式系统的应用前景是非常广泛的,人们将会无时无处不接触到嵌入式产品,从家里的洗衣机、电冰箱。

到作为交通工具的自行车、小汽车,到办公室里的远程会议系统等等。

特别是以蓝牙为代表的小范围无线接入协议的出现犷使嵌人式无线电的概念悄然兴起。

当嵌人式的无线电芯片的价格可被接受时,它的应用可能会无所不在。

在家中、办公室、公共场所,人们可能会使用数十片甚至更多这样的嵌入式无线电芯片将一些电子信息设备甚至电气设备构成无线网络;_在车上、旅途中,人们利用这样的嵌入式无线电芯片可以实现远程办公、远程遥控、真正实现把网络随身携带。

下面介绍几种具体的应用[7]。

（l）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:

（1）用户在移动的过程中可以联机访问数据库资源。

（2）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。

中国人民大学正在开发该系统,他们和HPen公司合作,开发了前台移动终端“小精灵”。

（2）嵌入式系统在智能家居网络中的应用

智能家居网络（E一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一实时性好、多用户的特点。

南京东大移动互联技术有限公司研制的智能多媒体家庭网关,就是以嵌入式Linux作为该嵌人式设备的操作系统设备之间的相互通信遵从蓝牙通信协议,可以支持多个设备同时接入到固定电话网、国际互联网等其它外部网络。

（3）嵌入式语音芯片

嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统,采用语音识别和语音合成、语音孚层次结构体系和文本处理模型等技术;可以应用在手持设备、智能家电等多个领域,赋予这些设备人性化的交互方式和便利的使用方法;也可应用于玩具中,实现声控玩具、仿真宠物、与人对话的玩具;也能应用于车载通信设备实现人机交流。

该芯片应用在移动通信设备中,比如,手机上短消息来时。

我们不必费力地去看,而是可以听到声音。

（4）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,基于这些协议的嵌人式产品层出不穷,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。

7新一轮的嵌入式面貌

为了满足用户专用系统的需要,嵌入式的设计和生产近几年来走了一条:

模块化-可配置模块-多硅片连接模块（MCM）-单硅片片上系统（SOC）的进化道路[8]。

（1）模块化。

这里指的是硅片级上的功能模块,它们的生产工艺往往有所不同。

区别起来分:

微脑模块（MCU/MPU/DSP）、存储器模块（ROM/FLASH/DRAM）、标准外设模块、专项应用模块（中断控制器/DMA/总线仲裁器/双口RAM/CAM等）、用户专项模块（模块库中未能包括的用户特需模块）等。

（2）可配置模块。

目的是提高模块的可重用频率,加快开发速度。

可配置的参变量并无统一标准。

（3）多硅片连接模块（MCM）。

MCM模块是受混合电路小型化要求的推动演变而来。

用CMOS工艺生成线性电路长时期以来一直是攻关难题,致使线性电路和数字电路的混合停留在IC器件的水平。

军事和航天事业为了最大限度地提高芯片的性能和减少整机的尺寸、体积和重量,率先创出了MCM模块的道路。

30片DIP芯片改用SMT芯片最多只能减至原面积的1/3,而使用MCM可减至原面积的1/10。

MCM有三种构成模式:

使用多层薄膜工艺制作互连基板的沉积式;

采用厚膜细线和有机PCB叠层互连基板的陶

瓷式;

多硅片相叠用细线互连后封装而成的叠层式。

最近,还出现63层厚膜加顶层薄膜的混合式MCM。

MCM的主要特征是:

内装线性电路基片、ASIC和VLSIC

等硅片;高密度互连线宽和间距一般小于100Lm,布线密度10~20根/mm;硅片面积占基板面积可高达80%~90%;层间介质应选介电系数小于4的。

（4）单硅片片上系统（SOC）。

线性电路成功地使用CMOS工艺来生成使ASIC工艺进入混合ASIC的生产时期,为片上系统（SOC）的诞生迈出决定性的一步。

（5）新一轮嵌入式产品。

撇开嵌入式的工业应用不谈,因它一如既往处于平稳发展的状态,突然爆发的新一轮嵌入式产品将是网上的信息家（Internetappli-ance）,如:

Web个人数字助理（目前商界叫它电子商务）、Web可视电话、Web电视游戏机等;通信类产品有移动电话、移动GPS产品（航海导航仪、汽车定位系统）、航空驾驶员飞行图示器等等;多媒体产品有声音识别与合成、图像处理、文字识别、DVD播放机、TV顶视盒、电视会议机、数码像机等。

8结束语

嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的以应用技术产品为核心,以计算机技术为基础,以通信技术为载体,以消费类产品为对象,引人各类传感器加人,进人Intemet网络技术的连接,而适应应用环境的产品。

目前,嵌人式系统产品的应用已超过整个计算机应用的40%。

对于我国科技工程界来说,跨越式追赶,提高嵌人式系统整体水平是具备相当的战略意义。

在移动互联的大背景下，嵌入式之间有很多隔板正在慢慢被打破可以认为除了PC通用系统之外的软件工程，都算是嵌入式软件工程而传统中比较典型的如Andriod、iOS嵌入式系统[9]，反而正被归入到通用品牌，有可能从嵌入式中划分出去嵌入式产业已变成一个朝阳产业，同时它发展的趋势和前景也将越来越值得期待。

参考文献

[1]舒展.嵌入式系统综述[J].研究与开发，2011（3）：

44-46

[2]刘红.嵌入式系统技术发展趋势浅析[J],2006,10（10）:

51-53

[3]胡国兵.嵌入式系统综述[J].南通职业大学学报，2004，4（12）：

29-31

[4]陈丹桂.嵌入式系统综述[J].科技交流,2010（10）.

[5］李福行.嵌入式系统特点及发展趋势探讨[J].科技创新与应用，2012，5.

[6]魏庆福，郑文波.嵌入式系统的发展和我们的机遇[J].综述，2002，06（05）：

6-9

[7]夏玮玮，等.嵌入式系统关键技术分析与开发利用[J].业界论坛，2003.

[8]梁合庆.当今嵌入式系统综述与新的投资机遇[J].测控技术，2000，19（4）：

1-5

[9]李瀛寰.重点关注嵌入式技术应用[M].中国计算机报,2002.