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浅谈计算机嵌入式系统

  摘要:嵌入式系统一般指非PC系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,类似于PC中BIOS的工作方式,具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点,特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,它是可独立工作的“器件”。
关键词:嵌入式系统;发展现状;特点;关键技术
Abstract:Embedded systems generally refers to non-PC system,a computer function but do not call the computer equipmentorequipment.It is based on application-centric,software and hardware can be reduced,to adapt applications to the functionality,reliability,cost,volume,power consumption,demanding a comprehensive dedicated computer system.In short,embedded system set System software and hardware in one,similar to the PC in the BIOS works with the software code for small,highly automated,fast response characteristics,especially suitable for tasks that require real-time and multi-system.Embedded system consists of embedded processors,associated support hardware,embedded operating system and application software,system,etc,it can work independently of the "device." 
Keywords:Embedded system;Development Status;Characteristics;Key technology
嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器,键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。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。
一、嵌入式系统的发展现状
随着信息化,智能化,网络化的发展,嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。2008年达到53000亿美元,预计2009年,销售额将达68000亿美元。进入20世纪90年代,嵌入式技术全面展开,目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域,数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域,美国已开始由模拟电视向数字电视转变,欧洲的DVB(数字电视广播)技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播(DAB)也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中,都离不开嵌入式系统技术。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒,核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人商用,作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面,GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。
二、嵌入式系统的主要特点
(一)系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统,内核只有5K,而Windows的内核?简直没有可比性。
(二)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。
(三)系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。
(四)高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。
(五)嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS(Real-Time Operating System)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。

三、嵌入式系统的关键技术
    随着后电脑时代的来临,消费电子成为市场的主要驱动力;而在消费电子中,32位嵌入式CPU占了主导地位。针对不同的消费产品,消费者的要求也不尽相同。例如:汽车电子产品的稳定和安全性非常重要,而对蓝牙产品可能更关心价格。当然,对于功耗问题的关注却是几乎涵盖所有消费产品的要求。对于开发者而言,ARM架构以及相关软件的前后兼容性对于他们加快开发周期、缩短产品上市时间是非常重要的。并且,对于消费电子产品而言,传统的“摩尔定律”已经不是特别重要的,更重要的是在提供性能的同时,能够有效地降低功耗和芯片面积。
    为了满足市场对消费电子产品的种种需求,ARM也不断开发和完善技术,推出了一系列有针对性的创新技术。例如:智能能源管理(IEM)技术能够有效地降低嵌入式系统的功耗;TrustZone技术能够为系统提供硬件级的安全保护,满足了用户、内容提供商以及运营商对内容安全性的要求;Thumb2指令集有效地降低了代码密度,节省了系统内存使用,从而降低了系统成本;Jazelle技术提供了在硬件中执行Java加速功能,为系统提供了更好的多媒体性能。

四、嵌入式系统的方向 
    嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上,通常这些设备的硬件资源(如处理器、存储器等)非常有限,并且对成本很敏感,有时对实时响应要求很高等。嵌入式系统是软硬结合的东西,搞嵌入式开发的人有两类。
    一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人,他们主要是搞硬件设计,有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件,如BootLoader、BoardSupport Package(像PC的BIOS一样,往下驱动硬件,往上支持操作系统),最初级的硬件驱动程序等。他们的优势是对硬件原理非常清楚,不足是他们更擅长定义各种硬件接口,但对复杂软件系统往往力不从心(例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等)。
    另一类是学软件、计算机专业出身的人,主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。如果我们学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握,我们完全也可写BSP和硬件驱动程序。嵌入式硬件设计完后,各种功能就全靠软件来实现了,嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件,这占了嵌入式系统的最主要工作(目前有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司,稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计,国内的硬件设计力量很弱,很多嵌入式公司自己只负责开发软件,因为公司都知道,嵌入式产品的差异很大程度在软件上,在软件方面是最有“花头“可做的),所以我们搞软件的人完全不用担心我们在嵌入式市场上的用武之地,越是智能设备越是复杂系统,软件越起关键作用,而且这是目前的趋势。

参考文献:
[1]吕京建,肖海桥.嵌入式处理器分类与现状
[2]桑楠.嵌入式系统原理及应用开发技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[3][美]李(Li, Q.)等.嵌入式系统的实时概念.王安生译.北京:北京航空航天大学出版社,2004,6
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