嵌入式系统应用现状及发展趋势概述

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　　摘要：嵌入式系统自上世纪七十年代问世以来，先后经历了单芯片可编程控制器、嵌入式CPU结合简单操作系统、专用嵌入式操作系统三个标志性发展阶段，现在正朝着与Internet相结合的方向发展。嵌入式系统具有高效性、稳定性、可靠性、节能性等特点，其应用目前主要集中在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。随着嵌入式系统进一步的系统化、人性化、网络化，嵌入式产品必将渗入到人们生活的更多方面中，在科技进步以及人民生活中发挥更加重要的作用。
　　关键词：嵌入式系统；嵌入式CPU；嵌入式操作系统；消费电子
　　中图分类号：TP316文献标识码：A文章编号：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世纪70年代微处理器出现后，应用其小型、廉价、高集成化的特点，将其嵌入到某一个对象体系中， 实现对象体系的智能化控制。由此，就诞生了嵌入式系统。经过三十多年的发展，嵌入式系统技术日臻完善，对其应用也不断上升到新的台阶。尤其在最近几年嵌入式系统十分风靡，广泛应用于日常生活、消费电子以及工业生产领域。
　　2 嵌入式系统概念
　　嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指嵌入在宿主设备中的微处理机系统。它所强调的是隐藏计算机的常见形式， 辅助寄宿主设备，使宿主设备的功能智能化。据此，通常把嵌入式系统定义为一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可以剪裁，适用于系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。嵌入式系统有如下共同点[2]：（1）功能专一： 专门为某一特定应用系统而设计；（2）结构紧凑： 嵌入式系统结构必须特别的紧凑， 从而达到小体积，高性能，低成本，低功耗；（3）智能灵活及实时性：即要对不同的情况做出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制。它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、微处理器、存储器、外部设备、I/O 端口和图形控制器等；软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务) 和应用程序编程[3]。
　　3 嵌入式系统的发展阶段
　　嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶段。
　　第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。
　　第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。
　　第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。
　　第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。
　　嵌入式系统技术日益完善，32位微处理器在该系统中占主导地位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、Internet结合日益密切，因而，嵌入式系统应用将日益广泛。
　　4 当前嵌入式系统应用现状
　　中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。在近几年以及未来的几年内，嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的应用领域。中国嵌入式系统的主要客户分布在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。当前中国嵌入式系统市场上的几大热点应用有[4]：汽车与电力系统电源管理、高清数字电视以及数字机顶盒、智能手机和具有联网功能的智能化工业设备、终端。嵌入式工业设备则将集成进更多的通信与联网等智能化功能，并将在汽车电子市场、医疗电子市场、机械电子市场、视频电子市场和数码电子市场得到更为广泛的应用。
　　4.1 消费电子
　　环球资源(Global Sources)2004年发表了一项联合研究报告-《亚洲嵌入式系统开发趋势》(Embedded Systems Development Trends: Asia)。 报告显示在亚太地区对嵌入式系统需求最殷切的是消费电子行业。最近几年FPGA技术飞速发展，并且广泛的应用与嵌入式消费电子中。全球数字和高解晰度广播电视传输标准、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子显示技术、以及家用DVR和DVD-W技术、汽车驾驶室内娱乐系统和GPS导航系统、信息、通信和安全系统等需求和应用的不断上升，标志着前入式消费电子产品正无孔不入的深入人们的生活。
　　4.2 安全防务
　　近年来， 安防界影响最大的就是嵌入式系统，安防产品进入嵌入化发展阶段。从传统的门禁，CCTV摄像头，录像机， 逐渐过渡到以嵌入式系统为基础的网络化设备，如网络摄像头，硬盘录像机， 网络数据采集器等， 随之而来对嵌入式系统开发人才的需求也迅猛增长。
　　4.3 汽车与电力系统电源管理技术的智能化
　　随着基于cpu的汽车电子设备要求电源提供更多变化电压、更低电压和更强的功能,电源管理变得越来越重要，对电源管理要求也在不断发生着变化。汽车电子设备的显示屏变得更大，分辨率变得更高，但是与此同时它们的体积却更小。所有这些新兴应用都将需要高集成度、高性能和高效率的电源管理。车载电源在延长便携式设备电池使用时间的同时，还需要尽量消除汽车开关电源对敏感电路的干扰。电力系统中，变电站点多面广，同时为适应减员增效和现代化管理的要求，很大一部分变电站都是无人值班变电站，也为基于嵌入式网络服务器的设备配置管理技术提供了良好的条件。能够大大减轻了设备运行人员的劳动，使得设备管理部门能够及时了解变电站运行信息，对设备故障的处理也更加快速有效。伴随着国家电网的发展，基于嵌入式网络服务器的设备维护将比以往基于远程拨号的维护方式更加优越。
　　4.4 工业控制嵌入式设备
　　在中国工业控制领域，与国民生产、医疗电子市场、机械电子市场、视频电子市场和数码电子市场、航天、交通相关的嵌入式应用继续快速增长。近年来，嵌入式网络解决方案发生了显著变化：首先是设备的体积越来越小，比如手持式扫描仪；其次是网络传输速度更高，并有无线便携的功能需求；再次要求更低的电源消耗；最后是需要数据安全和加密。这些变化要求嵌入式网络解决方案具有智能化功能，此外，在电子、医疗设备领域中也不断涌现新的嵌入式应用，如飞机导航、机载娱乐平台、核磁共振仪、病人监护系统等。这些新兴和传统的嵌入式应用涉及的产品类型丰富、使用环境复杂，因此各种总线标准和不同阶层的控制器均能在这个广阔市场中找到用武之地。
　　5嵌入式系统发展趋势
　　5.1 系统化
　　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。随着互联网技术的成熟、带宽的提高，网上信息日趋丰富，应用项目多种多样，像手机、掌上电脑等嵌入式设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足功能的不断升级，设计师一方面要采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力；同时还要采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有Windriver，Microsoft，QNX和Nuclear等[5]。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem，它不仅包括DeltaCore嵌入式实时操作系统，而且还包括LamdaTools交叉开发工具套件、测试工具、应用组件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系统。
　　5.2 开源化
　　随着嵌入式Linux系统的产生，越来越多的嵌入式产品采用开源嵌入式操作体统。由于Linux系统本身所具备的特点，使得开源嵌入式操作系统很容易推广并且得到不断的完善。相信不久的将来，开源的完善的嵌入式系统会在嵌入式系统应用中占据更重要的地位。
　　5.3 人性化
　　嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，原因是它们具有与使用者之间的亲和力和自然的人机交互界面。人们与信息终端交互要求以GU I屏幕为中心的多媒体界面。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处理已经取得初步成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有一定的距离。相信随着科技的进步和用户需求的进一步提高，这方面会在不久的将来得到完善。
　　5.4 节能化
　　随着嵌入式产品设计者提高了对嵌入式软件设计技术的要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能等。可以降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片，从而使得嵌入式产品支持小型电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本。
　　5.5 网络化
　　与互联网相连已成为必然趋势。为适应嵌入式分布处理需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口。针对联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP / IP协议软件支持；由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394，USB，CAN，Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML，WML等。
　　6 结束语
　　目前嵌入式系统的应用已经渗入到国民经济的各个方面，对大家的生活，也起着越来越重要的作用。相信随着科技的进步，生产工艺以及人们科技素养的进一步提高，嵌入式产品必将在人们生产生活中扮演越来越重要的角色。
　　参考文献：
　　[1] Arnold B.Embedded Systems Design [M].北京:电子工业出版社,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] 陈俊强.嵌入式系统综述[J].光纤通信技术,2002,(12):13-14.
　　[4] 钱晋,钱伟,程娟,钱钶.嵌入式系统发展热点及趋势浅析[J].景德镇高专学报,2007,22(4):46-47.
　　[5] 方铖.嵌入式系统的关键技术与发展趋势[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2007,22(6):74-78.

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