嵌入式系統應用現狀及發展趨勢概述

摘要：嵌入式系統自上世紀七十年代問世以來，先后經歷了單芯片可編程控制器、嵌入式CPU結合簡單操作系統、專用嵌入式操作系統三個標志性發展階段，現在正朝著與Internet相結合的方向發展。嵌入式系統具有高效性、穩定性、可靠性、節能性等特點，其應用目前主要集中在消費類電子、通信、醫療、安全等行業。隨著嵌入式系統進一步的系統化、人性化、網絡化，嵌入式產品必將滲入到人們生活的更多方面中，在科技進步以及人民生活中發揮更加重要的作用。

關鍵詞：嵌入式系統；嵌入式CPU；嵌入式操作系統；消費電子

中圖分類號：TP316文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)28-0239-03

The Application and Development Trend of Embedded Systems

YU Xiao-liang

(Jiangnan Institute of Computing Technology，Wuxi 214083，China)

Abstract: Embedded systems which came out at 1970’s， successively live with three indicated seedtimes: single chip programming controller，embedded CPU with simple OS， operating systems especially for embedded systems. Now， they are developing on the way of banded with Internet.The embedded systems，which are high efficient， steady， credible and less consuming， are now mostly used in consumption electronic，communications，medical treatment， security and so on. As the embedded systems are becoming more systematic， available，network banded，they will full of our life and play a more important pole in advancement of science and technology.

Key words: embedded system; embedded CPU; embedded OS; consumption electronic

1 引言

在20世紀70年代微處理器出現后，應用其小型、廉價、高集成化的特點，將其嵌入到某一個對象體系中， 實現對象體系的智能化控制。由此，就誕生了嵌入式系統。經過三十多年的發展，嵌入式系統技術日臻完善，對其應用也不斷上升到新的臺階。尤其在最近幾年嵌入式系統十分風靡，廣泛應用于日常生活、消費電子以及工業生產領域。

2 嵌入式系統概念

嵌入式系統是計算機的一種應用形式，通常指嵌入在宿主設備中的微處理機系統。它所強調的是隱藏計算機的常見形式， 輔助寄宿主設備，使宿主設備的功能智能化。據此，通常把嵌入式系統定義為一種以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可以剪裁，適用于系統，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統[1]。嵌入式系統有如下共同點[2]：（1）功能專一： 專門為某一特定應用系統而設計；（2）結構緊湊： 嵌入式系統結構必須特別的緊湊， 從而達到小體積，高性能，低成本，低功耗；（3）智能靈活及實時性：即要對不同的情況做出不同的反應，同時必須實時地給出計算的結果并進行實時控制。它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器、微處理器、存儲器、外部設備、I/O 端口和圖形控制器等；軟件部分包括操作系統軟件(要求實時和多任務) 和應用程序編程[3]。

3 嵌入式系統的發展階段

嵌入式系統的出現至今已經有30多年的歷史，近幾年來，計算機、通信、消費電子的一體化趨勢日益明顯，嵌入式技術已成為一個研究熱點。縱觀嵌入式技術的發展過程，大致經歷四個階段。

第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統，具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。這類系統大部分應用于一些專業性強的工業控制系統中，一般沒有操作系統的支持，通過匯編語言編程對系統進行直接控制。這一階段系統的主要特點是：系統結構和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統使用簡單、價格低，以前在國內工業領域應用較為普遍，但是已經遠不能適應高效的、需要大容量存儲的現代工業控制和新興信息家電等領域的需求。

第二階段是以嵌入式CPU為基礎、以簡單操作系統為核心的嵌入式系統。主要特點是：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統開銷小，效率高；操作系統達到一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專業化，用戶界面不夠友好。

第三階段是以嵌入式操作系統為標志的嵌入式系統。主要特點是：嵌入式操作系統能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統內核小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、多任務、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序接口API，開發應用程序較簡單；嵌入式應用軟件豐富。

第四階段是以Internet為標志的嵌入式系統。這是一個正在迅速發展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發展以及Internet技術與信息家電、工業控制技術結合日益密切，嵌入式設備與Internet的結合將代表嵌入式系統的未來。

嵌入式系統技術日益完善，32位微處理器在該系統中占主導地位，嵌入式操作系統已經從簡單走向成熟，它與網絡、Internet結合日益密切，因而，嵌入式系統應用將日益廣泛。

4 當前嵌入式系統應用現狀

中國嵌入式系統市場處于快速增長時期。在近幾年以及未來的幾年內，嵌入式系統的發展為幾乎所有的電子設備注入了新的活力，由于迅速發展的Internet和非常廉價的微處理器的出現，嵌入式系統將在我們的日常生活里形成一個更大的應用領域。中國嵌入式系統的主要客戶分布在消費類電子、通信、醫療、安全等行業。當前中國嵌入式系統市場上的幾大熱點應用有[4]：汽車與電力系統電源管理、高清數字電視以及數字機頂盒、智能手機和具有聯網功能的智能化工業設備、終端。嵌入式工業設備則將集成進更多的通信與聯網等智能化功能，并將在汽車電子市場、醫療電子市場、機械電子市場、視頻電子市場和數碼電子市場得到更為廣泛的應用。

4.1 消費電子

環球資源(Global Sources)2004年發表了一項聯合研究報告-《亞洲嵌入式系統開發趨勢》(Embedded Systems Development Trends: Asia)。 報告顯示在亞太地區對嵌入式系統需求最殷切的是消費電子行業。最近幾年FPGA技術飛速發展，并且廣泛的應用與嵌入式消費電子中。全球數字和高解晰度廣播電視傳輸標準、游戲和多媒體娛樂系統、LCD和等離子顯示技術、以及家用DVR和DVD-W技術、汽車駕駛室內娛樂系統和GPS導航系統、信息、通信和安全系統等需求和應用的不斷上升，標志著前入式消費電子產品正無孔不入的深入人們的生活。

4.2 安全防務

近年來， 安防界影響最大的就是嵌入式系統，安防產品進入嵌入化發展階段。從傳統的門禁，CCTV攝像頭，錄像機， 逐漸過渡到以嵌入式系統為基礎的網絡化設備，如網絡攝像頭，硬盤錄像機， 網絡數據采集器等， 隨之而來對嵌入式系統開發人才的需求也迅猛增長。

4.3 汽車與電力系統電源管理技術的智能化

隨著基于cpu的汽車電子設備要求電源提供更多變化電壓、更低電壓和更強的功能，電源管理變得越來越重要，對電源管理要求也在不斷發生著變化。汽車電子設備的顯示屏變得更大，分辨率變得更高，但是與此同時它們的體積卻更小。所有這些新興應用都將需要高集成度、高性能和高效率的電源管理。車載電源在延長便攜式設備電池使用時間的同時，還需要盡量消除汽車開關電源對敏感電路的干擾。電力系統中，變電站點多面廣，同時為適應減員增效和現代化管理的要求，很大一部分變電站都是無人值班變電站，也為基于嵌入式網絡服務器的設備配置管理技術提供了良好的條件。能夠大大減輕了設備運行人員的勞動，使得設備管理部門能夠及時了解變電站運行信息，對設備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電網的發展，基于嵌入式網絡服務器的設備維護將比以往基于遠程撥號的維護方式更加優越。

4.4 工業控制嵌入式設備

在中國工業控制領域，與國民生產、醫療電子市場、機械電子市場、視頻電子市場和數碼電子市場、航天、交通相關的嵌入式應用繼續快速增長。近年來，嵌入式網絡解決方案發生了顯著變化：首先是設備的體積越來越小，比如手持式掃描儀；其次是網絡傳輸速度更高，并有無線便攜的功能需求；再次要求更低的電源消耗；最后是需要數據安全和加密。這些變化要求嵌入式網絡解決方案具有智能化功能，此外，在電子、醫療設備領域中也不斷涌現新的嵌入式應用，如飛機導航、機載娛樂平臺、核磁共振儀、病人監護系統等。這些新興和傳統的嵌入式應用涉及的產品類型豐富、使用環境復雜，因此各種總線標準和不同階層的控制器均能在這個廣闊市場中找到用武之地。

5嵌入式系統發展趨勢

5.1 系統化

嵌入式應用軟件的開發需要強大的開發工具和操作系統的支持。隨著互聯網技術的成熟、帶寬的提高，網上信息日趨豐富，應用項目多種多樣，像手機、掌上電腦等嵌入式設備的功能不再單一，電氣結構也更為復雜。為了滿足功能的不斷升級，設計師一方面要采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力；同時還要采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術，簡化應用程序設計，保障軟件質量和縮短開發周期。目前，國外商品化的嵌入式實時操作系統，已進入我國市場的有Windriver，Microsoft，QNX和Nuclear等[5]。我國自主開發的嵌入式系統軟件產品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開發平臺DeltaSystem，它不僅包括DeltaCore嵌入式實時操作系統，而且還包括LamdaTools交叉開發工具套件、測試工具、應用組件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系統。

5.2 開源化

隨著嵌入式Linux系統的產生，越來越多的嵌入式產品采用開源嵌入式操作體統。由于Linux系統本身所具備的特點，使得開源嵌入式操作系統很容易推廣并且得到不斷的完善。相信不久的將來，開源的完善的嵌入式系統會在嵌入式系統應用中占據更重要的地位。

5.3 人性化

嵌入式設備之所以為億萬用戶樂于接受，原因是它們具有與使用者之間的親和力和自然的人機交互界面。人們與信息終端交互要求以GU I屏幕為中心的多媒體界面。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形圖像處理已經取得初步成效。目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但離掌式語言同聲翻譯還有一定的距離。相信隨著科技的進步和用戶需求的進一步提高，這方面會在不久的將來得到完善。

5.4 節能化

隨著嵌入式產品設計者提高了對嵌入式軟件設計技術的要求，如選用最佳的編程模型和不斷改進算法，采用Java編程模式，優化編譯器性能等。可以降低處理器的性能，限制內存容量和復用接口芯片，從而使得嵌入式產品支持小型電子設備，實現小尺寸、微功耗和低成本。

5.5 網絡化

與互聯網相連已成為必然趨勢。為適應嵌入式分布處理需求，面向21世紀的嵌入式系統要求配備標準的網絡通信接口。針對聯網要求，嵌入設備必須配有通信接口，相應需要TCP / IP協議軟件支持；由于家用電器相互關聯(如防盜報警、燈光能源控制、影視設備和信息終端交換信息)及實驗現場儀器的協調工作等要求，新一代嵌入式設備還需具備IEEE1394，USB，CAN，Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。為了支持應用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應的瀏覽器，如HTML，WML等。

6 結束語

目前嵌入式系統的應用已經滲入到國民經濟的各個方面，對大家的生活，也起著越來越重要的作用。相信隨著科技的進步，生產工藝以及人們科技素養的進一步提高，嵌入式產品必將在人們生產生活中扮演越來越重要的角色。

參考文獻：

[1] Arnold B.Embedded Systems Design [M].北京:電子工業出版社，2005.

[2] Frank V，Tony G.Embedded System Design: A Unified Hardware /Software Approach.Department of Computer Science and Engineering， University of California，Fall 19991.

[3] 陳俊強.嵌入式系統綜述[J].光纖通信技術，2002，(12):13-14.

[4] 錢晉，錢偉，程娟，錢鈳.嵌入式系統發展熱點及趨勢淺析[J].景德鎮高專學報，2007，22(4):46-47.

[5] 方鋮.嵌入式系統的關鍵技術與發展趨勢[J].鄭州輕工業學院學報(自然科學版)，2007，22(6):74-78.