嵌入式系統技術及其應用

王明月 張德慧 魏銘

摘 要：近年來，各種各樣的嵌入式系統大量應用到各個領域， 從國防武器設備、網絡通信設備到智能儀器、日常消費電子設備， 再到生物微電子技術， 處處都可以見到嵌入式系統的身影，嵌入式產品已經滲透到人類社會生活的各個領域。嵌入式系統是計算機技術、自動控制技術以及現代網絡與通信技術等高度融合的產物。

關鍵詞：嵌入式系統

隨著信息技術的高速進步， 嵌入式系統已經在許多領域得到了應用。嵌入式系統已經廣泛地深入人們的日常生活 ，構建信息高速公路的各種網絡設備， 如交換機、路由器和調制解調器都屬于嵌入式系統； 各種汽車電子設備和信息家電（ Information Appliances）也大都為嵌入式系統， 如移動電話、網絡可視電話、網絡游戲機、商務通（PDA）、電視機頂盒、DVD播放機、電子閱讀機等。

1.嵌入式系統的定義

根據美國電氣和電子工程師協會（IEEE）的定義，嵌入式系統是用來控制、監視或輔助設備、機器或工廠操作的裝置。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有特殊要求的專用計算機系統。

2.嵌入式系統的特點

嵌入式計算機系統與通用計算機系統相比具有以下特點：

（1）嵌入式系統是面向特定系統應用的。嵌入式處理器大多數是專門為特定應用設計的，具有低功耗、體積小、集成度高等特點， 一般是包含各種外圍設備接口的片上系統。

（2）嵌入式系統涉及計算機技術、微電子技術、電子技術、通信和軟件等各行各業， 是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。

（3）嵌入式系統的硬件和軟件都必須具有高度可定制性。只有這樣才能適應嵌入式系統應用的需要， 在產品價格性能等方面具備競爭力。

（4）嵌入式系統的生命周期相當長。當嵌入式系統應用到產品以后， 還可以進行軟件升級， 它的生命周期與產品的生命周期幾乎一樣長。

（5）嵌入式系統不具備本地系統開發能力， 通常需要有一套專門的開發工具和環境。

（6）嵌入式系統的目標代碼通常是固化在非易失性存儲器（ROM、 EPROM、EE-PROM和FLASH）芯片中。嵌入式系統開機后，必須有代碼對系統進行初始化，以便其余的代碼能夠正常運行， 這就是建立運行時的環境。

3.嵌入式系統的分類

（1）按嵌入式微處理器的位數分類。

嵌入式系統可分為4位、8位、16位、32位和64位等，其中，4位、8位、16位嵌入密式系統已經獲得了大量應用，32位嵌入式系統正成為主流發展趨勢。

（2）按軟件實時性需求分類。

嵌入式系統可分為非實時系統（如PDA）、軟實時系統（如消費類產品）和硬實時系統（如工業實時控制系統）。實時系統并非是指“快速”的系統，而是指有限定的響應時間，從而使結果具有可預測性的系統。實時系統與其他普通的系統之間最大的不同之處就是要滿足處理與時間的關系。在實時計算中，系統的正確性不僅僅依賴于計算的邏輯結果，而且依賴于結果產生的時間。大多數嵌入式系統都屬于實時系統，根據實時性的強弱，可進一步分為“硬實時系統”和“軟實時系統”。硬實時系統是指系統對響應時間有嚴格要求，如果不能滿足響應時限，響應不及時或反應過早，都會引起系統崩潰或致命錯誤，甚至導致災難性的后果。軟實時系統是指系統對響應的時間有一定要求，如果在系統負荷較重的時候，響應時間不能滿足，會導致系統性能退化，但不會造成太大的危害。

（3）按嵌入式系統的復雜程度分類。

嵌入式系統可分為小型嵌入式系統、中型嵌入式系統和復雜嵌入式系統。

小型嵌入式系統是采用一個8位或者16位的微控制器設計的，硬件和軟件復雜度很小，需要進行板級設計。當為這些系統開發嵌入式軟件時，主要的編程工具是使用的微控制器或者處理器專用的編輯器、匯編器和交叉匯編器。通常利用C語言來開發這些系統。C程序被編譯為匯編程序，然后將可執行代碼存放到系統存儲器的適當位置上。為了滿足系統連續運行時的功耗限制，軟件必須放置在存儲器中。

中型嵌入式系統是采用一個16位或者32位的微控制器、DSP或者精簡指令集計算機（RISC）設計的，其硬件和軟件復雜度都比較大。對于復雜的軟件設計，可以使用的編程工具包括RTOS、源代碼設計工具、模擬器、調試器和集成開發環境（IDE）。軟件工具還提供了硬件復雜性的解決方法。匯編器作為編程工具來說用處不大。中型嵌入式系統還可以運用已有的ASSP和IP來完成各種功能，例如，總線接口、加密、解密、離散余弦變換和逆變換、TCP/IP協議棧和網絡連接功能（ASSP和TP可能還必須用系統軟件進行適當的配置，才能集成到系統總線上）。

復雜嵌入式系統的軟件和硬件都非常復雜，需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列。它們用于邊緣應用，在這些應用中，需要硬件和軟件協同設計，并且都集成到最終的系統中。但是，它們卻受到硬件單元所提供的處理速度的限制。為了節約時間并提高運行速度，可以在硬件中實現一定的軟件功能。

4.嵌入式系統的應用

（1）工業過程控制

工業過程控制即對工業生產過程中的生產流程加以控制。這種控制是建立在對被控對象和環境不斷進行監控的基礎上的。在控制過程中，嵌入式的計算機處于中心位置，它通過分布在工業生產中的各個傳感器收集信息，并對這些信息進行加工處理和判斷，然后向執行器件發出控制指令。目前，在工業控制和自動化行業中使用嵌入式系統非常普遍，例如，智能控制設備、智能儀表、現場總線設備、數控機床、機器人等。機器人是很復雜的嵌入式設備，甚至配置多個嵌入式處理器，各個處理器通過網絡進行互連。

工業嵌入式系統的發展趨勢是網絡化、智能化和控制的分散化。

（2）網絡通信設備

眾多網絡設備都是使用嵌入式系統的典型例子，如路由器、交換機、Web服務器、網絡接入設備等。另外，在后PC時代將會產生比PC時代多成百上千倍的瘦服務器和超級嵌入式瘦服務器。這些瘦服務器將為人們提供需要的各種信息，并通過Internet自動、實時、方便、簡單地提供給需要這些信息的對象。設計和制造嵌入式瘦服務器、嵌入式網關和嵌入式因特網路由器已成為嵌入式系統的一大應用方向，這些設備為企業信息化提供了廉價的解決方案。

（3）消費電子產品

后PC時代的消費電子產品應具有強大的網絡和多媒體處理能力、易用的界面和豐富的應用功能。這些特性的實現，都依賴于嵌入式系統提供的強大的數字處理能力和簡潔實用的特性。作為移動計算設備的PCA和手機已融合在一起，提供給用戶隨時隨地訪問 Internet的能力。同時它還具有其他信息服務功能，如文字處理、郵件管理、個人事務管理和多媒體信息服務等，而且簡單易用、價格低廉、維護簡便。

信息電器是指所有能提供信息服務或通過網絡系統交互信息的消費類電子產品。它是嵌入式系統在消費類電子產品中的另一大應用。如果在冰箱、空調、監控器等家電設備中嵌入計算機并提供網絡訪問能力，用戶就可以通過網絡隨時隨地地了解家中的情況，并控制家中的相應電器。

（4）軍事電子設備和現代武器

軍事電子設備和現代武器是早期嵌入式系統的重要應用領域。軍事領域從來就是許多高新技術的發源地，由于內裝嵌入式計算機的設備反應速度快、自動化程度高，所以威力巨大，自然很得軍方青睞。從“愛國者”導彈的制導系統到戰斗機的瞄準器，從M1A2的火控系統到單兵系統的通信器，都可覓得嵌入式系統的蹤跡。

總結：伴隨著智能時代的到來，嵌入式系統技術成為一個越來越熱門的領域。未來的幾年內，隨著信息化，智能化，網絡化的發展，嵌入式系統技術也將獲得廣闊的發展空間。嵌入式系統是這個后PC時代的擎天之柱，我們有理由相信，未來的電子技術就是嵌入式系統技術的天下。

參考文獻：

[1]申華. 嵌入式Linux系統軟硬件開發及應用. 北京航空航天大學出版社. 2013

[2]朱珍民. 嵌入式實時操作系統及其應用開發. 北京郵電大學出版社. 2006