嵌入式技術淺談

摘要：嵌入式系統伴隨著嵌入式微控制器技術被應用到現代工業控制領域而出現，并得到了迅猛的發展。本文就嵌入式系統的技術特點、軟硬件開發平臺及未來技術發展趨勢等加以探討。

關鍵詞：嵌入式系統；技術特點；實時操作系統；發展趨勢

中圖分類號：TP312文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)15-21046-02

About Embedded Technology

HU Hao

(Suzhou College，Suzhou 234000，China)

Abstract:The embedded systems come into being as the embedded microcontroller technology is being used in modern industry controlling fields，and they are well developed so fast.This is to discuss about the technical features of the embedded systems， the flat roof of developing software and hardware and its future developing tendency.

Key words:embedded systems;technical features;RTOS;developing tendency

1 引言

自1945年第一臺真正意義的計算機ENIAC問世以來，計算機技術已日新月異，隨著現代電子技術特別是VLSI技術的迅猛發展，出現了嵌入式微控制器( Embedded Micro-controller MMC)技術，而其被應用到現代工業控制領域，又使得嵌入式系統 ( Embedded Systems)出現。嵌入式系統為非PC系統，PC機主要應用在辦公領域，而嵌入式系統已經以其獨特的優勢滲透到人們生活的方方面面。據統計，嵌入式處理器的數量約占分散處理器的94%，而PC機用的處理器只占6%左右。1998年在美國芝加哥召開的嵌入式系統大會上，專家們得出21世紀嵌入式系統將無處不在的結論。

2 嵌入式系統的定義

通常把嵌入式系統定義為以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可以剪裁，適用于系統，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。它集軟硬件于一身， 可獨立進行工作，包括嵌入式處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統及應用軟件4個部分。一般除大型計算機、服務器、典型的個人臺式PC、筆記本電腦之外的各種可計算設備都屬于嵌入式系統，如數碼產品、智能手機、各種掌上型多媒體設備等。更多的嵌入式系統隱藏在不為人知的地方，小到電子表、電子體溫計，大到電冰箱、洗衣機、醫療設備、工業控制設備、雷達等。可以說人們的生活中到處都是嵌入式系統的身影。

3 嵌入式系統的技術特點

(1)嵌入式系統是面向特定應用的可計算設備，因此嵌入式技術的重要特點就是和具體的應用需求相結合，可以這樣說，最好的嵌入式設計就是能做到最貼切的滿足相應需求的設計。

(2)嵌入式系統與具體應用需求相吻合的特點決定了其更新換代是和具體產品同步的，所以嵌入式系統的具體產品進入市場后，會有較長的生存周期。

(3)嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機中，而不是存儲于磁盤硬盤等載體中，以提高執行速度和系統的可靠性。

(4)嵌入式系統并不具備自身開發能力，用戶若需修改設計中的程序功能，須有一套開發工具和環境。

4 嵌入式系統的硬件平臺

嵌入式系統是一個專用的計算機，當然也有具體的硬件構成和在其中運行的軟件。隨著技術的發展，硬件和軟件的融合將越來越緊密。首先介紹一下嵌入式系統的硬件平臺。

如前所述，嵌入式系統是計算機應用的另外一種形態，是隱藏在各種裝置、設備和系統中的軟硬件高度專業化的特定計算機系統，這就需要高效率協同設計嵌入式系統的硬件和軟件，以做到量體裁衣，從而在現有配置下得到盡量高的性能。目前，業界已經開發出Polis、Cosyma及Chinook等多種工具來支持集成式軟硬件的協同設計。

與PC技術被WinTel等少數企業主宰不同，面向特定應用需求的特點決定了嵌入式系統的硬件平臺是一個百家爭鳴的局面。以作為硬件核心的嵌入式處理器來說，其發展趨勢是主要采用32/64位嵌入式CPU，主流系列有ARM、MIPS、PowerPC、SH3等，還有在通用計算機上被廣泛采用的X86系列。嵌入式系統處理器的另一類型是微控制器與數字信號處理器DSP，嵌入式微控制器又稱單片機，具有單片化、體積小、可靠性高、功耗低等特點；DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度較快。另外還可以購買知識產權核( Intellectual Property IP)，在其基礎上，修改或組合多個IP核，以形成自己的設計。根據不同的應用需求將不同的IP核集成在一個芯片上，就構成了片上系統（System on Chip， SoC)。而且，各種嵌入式軟件也可以IP核的方式集成在芯片中，這樣SoC就成了一個最終產品，SoC這種軟硬件無縫結合的趨勢表明，后PC時代的智能設備已經逐漸地模糊了傳統的硬件與軟件的界限。隨著技術的不斷進步和應用需求的穩定及標準化，SOC將會成為嵌入式系統設計的主要實現方式，SoC也已經逐漸成為新一代應用電子技術的核心。

嵌入式系統的存儲器技術也迅速發展，由于許多嵌入式系統中不允許采用硬盤等物理存儲設備，Flash Memory等技術發展很快，現在Flash芯片的存儲容量已可達到Gb級水平，存取速度越來越快，并逐步向Tb級水平邁進。人們對小體積設備的大量需求，使得越來越多的存儲器正在與嵌入式處理器融合，將Flash等存儲器集成在嵌入式處理器芯片的內部。

5 嵌入式系統的軟件平臺

嵌入式操作系統是嵌入式系統軟件平臺中最重要的組成部分，并且它和通用計算機中的操作系統相比還有一些獨特之處，如很多應用需求希望其能滿足實時性、可配置性好、可移植性強、系統穩定可靠等要求。因而嵌入式系統越來越多地建立在實時多任務操作系統(Real - Time multitask Operation System RTOS) 平臺上， RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺，是一段嵌入在目標代碼中的管理程序， 系統復位時首先執行，提供一個標準內核，合理安排多任務間的CPU時間。目前流行的RTOS有WindRiver公司的高性能可擴展的實時操作系統VxWorks、 微軟的Windows CE以及能提供源代碼的RT-Linux等。

隨著嵌入式系統的廣泛應用和RTOS的興起， 采用高級語言編程是嵌入式系統設計的必然趨勢。目前的主流編程語言有C、C++以及JAVA等。C語言既有匯編語言的效率，又有高級語言的易編程性，目前是應用極其廣泛的嵌入式系統編程語言。C++在保留C語言優點的基礎上，還支持現代軟件工程、OOP技術等。JAVA語言可面向對象編程，可跨平臺，也可安全的實現網絡連接，很好的適應了網絡時代的要求，正在成為廣泛采用的通用平臺。

6 嵌入式系統的發展趨勢

消費電器的智能化，為嵌入式系統的發展呈現廣闊的市場前景，也對嵌入式系統的發展提出了新要求；微電子技術及系統設計方法的進步，使得嵌入式系統有以下發展趨勢：

(1)與互聯網聯系日益密切。現在任何一個嵌入式系統的設計都很難將網絡功能排除在外，除了傳統的網絡技術，在嵌入式系統中將廣泛采用的是無線網絡技術。隨著無線網絡技術的成熟，將會有越來越多的嵌入式系統甩掉網線和電源線，被設計成可移動的設備。

(2)嵌入式系統在手持設備上的大量應用，要求嵌入式系統體積小、功耗低、重量輕。

(3)隨著嵌入式系統的功能越來越多，其處理的信息量越來越大，嵌入式系統的主頻會越來越高，采用多核結構處理器的嵌入式系統也會更多，以滿足并行高速的應用需求。

(4)嵌入式系統的通信接口的速度會更高，如采用USB2.0、千兆以太網等。

7 結束語

嵌入式系統的應用幾乎無處不在，嵌入式控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優點，其應用已深入到生產生活的各個領域， 對各行業的技術革新、產品更新換代、加快自動化進程、提高生產效率等方面都起到了很重要的促進作用。通用計算機發展的目標是功能電腦，普遍進入社會； 嵌入式系統發展的目標是專用電腦，實現“普遍化計算”。因而可以稱嵌入式智能芯片是構成未來世界的“數字基因”。我國資深嵌入式系統專家沈緒榜院士曾預言，“未來十年將會產生針頭大小、具有超過一億次運算能力的嵌入式智能芯片”。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，由于高速發展的Internet 和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，為我們提供幾乎無限的創造空間。可以說嵌入式系統好象是一個黑洞，會把當今很多技術和成果吸引進來，以滿足人們日益增長的需求。

參考文獻：

[1] 馬文華.嵌入式系統設計與開發[M].北京:科學出版社，2006.

[2] 王樹紅.嵌入式系統的現狀及發展趨勢[J].太原大學學報，2007(6).

[3] 汪捷，徐金華.嵌入式系統概述[J].機床與液壓，2006(4).

[4] 陶品.嵌入式系統技術現狀與發展趨勢[J].世界電子元器件，2006(2).