摘要：嵌入式系統(tǒng)自上世紀(jì)七十年代問世以來，先后經(jīng)歷了單芯片可編程控制器、嵌入式CPU結(jié)合簡單操作系統(tǒng)、專用嵌入式操作系統(tǒng)三個標(biāo)志性發(fā)展階段，現(xiàn)在正朝著與Internet相結(jié)合的方向發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)具有高效性、穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能性等特點(diǎn)，其應(yīng)用目前主要集中在消費(fèi)類電子、通信、醫(yī)療、安全等行業(yè)。隨著嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步的系統(tǒng)化、人性化、網(wǎng)絡(luò)化，嵌入式產(chǎn)品必將滲入到人們生活的更多方面中，在科技進(jìn)步以及人民生活中發(fā)揮更加重要的作用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式CPU；嵌入式操作系統(tǒng)；消費(fèi)電子

中圖分類號：TP316文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)70年代微處理器出現(xiàn)后，應(yīng)用其小型、廉價、高集成化的特點(diǎn)，將其嵌入到某一個對象體系中， 實(shí)現(xiàn)對象體系的智能化控制。由此，就誕生了嵌入式系統(tǒng)。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日臻完善，對其應(yīng)用也不斷上升到新的臺階。尤其在最近幾年嵌入式系統(tǒng)十分風(fēng)靡，廣泛應(yīng)用于日常生活、消費(fèi)電子以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

2 嵌入式系統(tǒng)概念

嵌入式系統(tǒng)是計算機(jī)的一種應(yīng)用形式，通常指嵌入在宿主設(shè)備中的微處理機(jī)系統(tǒng)。它所強(qiáng)調(diào)的是隱藏計算機(jī)的常見形式， 輔助寄宿主設(shè)備，使宿主設(shè)備的功能智能化。據(jù)此，通常把嵌入式系統(tǒng)定義為一種以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可以剪裁，適用于系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)[1]。嵌入式系統(tǒng)有如下共同點(diǎn)[2]：（1）功能專一： 專門為某一特定應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計；（2）結(jié)構(gòu)緊湊： 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須特別的緊湊， 從而達(dá)到小體積，高性能，低成本，低功耗；（3）智能靈活及實(shí)時性：即要對不同的情況做出不同的反應(yīng)，同時必須實(shí)時地給出計算的結(jié)果并進(jìn)行實(shí)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(shè)備、I/O 端口和圖形控制器等；軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(要求實(shí)時和多任務(wù)) 和應(yīng)用程序編程[3]。

3 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展階段

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史，近幾年來，計算機(jī)、通信、消費(fèi)電子的一體化趨勢日益明顯，嵌入式技術(shù)已成為一個研究熱點(diǎn)?？v觀嵌入式技術(shù)的發(fā)展過程，大致經(jīng)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(tǒng)，具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這類系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)使用簡單、價格低，以前在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲的現(xiàn)代工業(yè)控制和新興信息家電等領(lǐng)域的需求。

第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)化，用戶界面不夠友好。

第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口API，開發(fā)應(yīng)用程序較簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。

第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表嵌入式系統(tǒng)的未來。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日益完善，32位微處理器在該系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟，它與網(wǎng)絡(luò)、Internet結(jié)合日益密切，因而，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用將日益廣泛。

4 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

中國嵌入式系統(tǒng)市場處于快速增長時期。在近幾年以及未來的幾年內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展為幾乎所有的電子設(shè)備注入了新的活力，由于迅速發(fā)展的Internet和非常廉價的微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)將在我們的日常生活里形成一個更大的應(yīng)用領(lǐng)域。中國嵌入式系統(tǒng)的主要客戶分布在消費(fèi)類電子、通信、醫(yī)療、安全等行業(yè)。當(dāng)前中國嵌入式系統(tǒng)市場上的幾大熱點(diǎn)應(yīng)用有[4]：汽車與電力系統(tǒng)電源管理、高清數(shù)字電視以及數(shù)字機(jī)頂盒、智能手機(jī)和具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能化工業(yè)設(shè)備、終端。嵌入式工業(yè)設(shè)備則將集成進(jìn)更多的通信與聯(lián)網(wǎng)等智能化功能，并將在汽車電子市場、醫(yī)療電子市場、機(jī)械電子市場、視頻電子市場和數(shù)碼電子市場得到更為廣泛的應(yīng)用。

4.1 消費(fèi)電子

環(huán)球資源(Global Sources)2004年發(fā)表了一項聯(lián)合研究報告-《亞洲嵌入式系統(tǒng)開發(fā)趨勢》(Embedded Systems Development Trends: Asia)。 報告顯示在亞太地區(qū)對嵌入式系統(tǒng)需求最殷切的是消費(fèi)電子行業(yè)。最近幾年FPGA技術(shù)飛速發(fā)展，并且廣泛的應(yīng)用與嵌入式消費(fèi)電子中。全球數(shù)字和高解晰度廣播電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)、游戲和多媒體娛樂系統(tǒng)、LCD和等離子顯示技術(shù)、以及家用DVR和DVD-W技術(shù)、汽車駕駛室內(nèi)娛樂系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、信息、通信和安全系統(tǒng)等需求和應(yīng)用的不斷上升，標(biāo)志著前入式消費(fèi)電子產(chǎn)品正無孔不入的深入人們的生活。

4.2 安全防務(wù)

近年來， 安防界影響最大的就是嵌入式系統(tǒng)，安防產(chǎn)品進(jìn)入嵌入化發(fā)展階段。從傳統(tǒng)的門禁，CCTV攝像頭，錄像機(jī)， 逐漸過渡到以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)攝像頭，硬盤錄像機(jī)， 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器等， 隨之而來對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的需求也迅猛增長。

4.3 汽車與電力系統(tǒng)電源管理技術(shù)的智能化

隨著基于cpu的汽車電子設(shè)備要求電源提供更多變化電壓、更低電壓和更強(qiáng)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(fā)生著變化。汽車電子設(shè)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(yīng)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(shè)備電池使用時間的同時，還需要盡量消除汽車開關(guān)電源對敏感電路的干擾。電力系統(tǒng)中，變電站點(diǎn)多面廣，同時為適應(yīng)減員增效和現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)備配置管理技術(shù)提供了良好的條件。能夠大大減輕了設(shè)備運(yùn)行人員的勞動，使得設(shè)備管理部門能夠及時了解變電站運(yùn)行信息，對設(shè)備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)備維護(hù)將比以往基于遠(yuǎn)程撥號的維護(hù)方式更加優(yōu)越。

4.4 工業(yè)控制嵌入式設(shè)備

在中國工業(yè)控制領(lǐng)域，與國民生產(chǎn)、醫(yī)療電子市場、機(jī)械電子市場、視頻電子市場和數(shù)碼電子市場、航天、交通相關(guān)的嵌入式應(yīng)用繼續(xù)快速增長。近年來，嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案發(fā)生了顯著變化：首先是設(shè)備的體積越來越小，比如手持式掃描儀；其次是網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)安全和加密。這些變化要求嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案具有智能化功能，此外，在電子、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中也不斷涌現(xiàn)新的嵌入式應(yīng)用，如飛機(jī)導(dǎo)航、機(jī)載娛樂平臺、核磁共振儀、病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等。這些新興和傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用涉及的產(chǎn)品類型豐富、使用環(huán)境復(fù)雜，因此各種總線標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)發(fā)展趨勢

5.1 系統(tǒng)化

嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)需要強(qiáng)大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高，網(wǎng)上信息日趨豐富，應(yīng)用項目多種多樣，像手機(jī)、掌上電腦等嵌入式設(shè)備的功能不再單一，電氣結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。為了滿足功能的不斷升級，設(shè)計師一方面要采用更強(qiáng)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(qiáng)處理能力；同時還要采用實(shí)時多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)，簡化應(yīng)用程序設(shè)計，保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。目前，國外商品化的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，已進(jìn)入我國市場的有Windriver，Microsoft，QNX和Nuclear等[5]。我國自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺DeltaSystem，它不僅包括DeltaCore嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，而且還包括LamdaTools交叉開發(fā)工具套件、測試工具、應(yīng)用組件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系統(tǒng)。

5.2 開源化

隨著嵌入式Linux系統(tǒng)的產(chǎn)生，越來越多的嵌入式產(chǎn)品采用開源嵌入式操作體統(tǒng)。由于Linux系統(tǒng)本身所具備的特點(diǎn)，使得開源嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)會在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中占據(jù)更重要的地位。

5.3 人性化

嵌入式設(shè)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(jī)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(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形圖像處理已經(jīng)取得初步成效。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)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(jìn)步和用戶需求的進(jìn)一步提高，這方面會在不久的將來得到完善。

5.4 節(jié)能化

隨著嵌入式產(chǎn)品設(shè)計者提高了對嵌入式軟件設(shè)計技術(shù)的要求，如選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能等?？梢越档吞幚砥鞯男阅埽拗苾?nèi)存容量和復(fù)用接口芯片，從而使得嵌入式產(chǎn)品支持小型電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本。

5.5 網(wǎng)絡(luò)化

與互聯(lián)網(wǎng)相連已成為必然趨勢。為適應(yīng)嵌入式分布處理需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必須配有通信接口，相應(yīng)需要TCP / IP協(xié)議軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)(如防盜報警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場儀器的協(xié)調(diào)工作等要求，新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394，USB，CAN，Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。為了支持應(yīng)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(yīng)的瀏覽器，如HTML，WML等。

6 結(jié)束語

目前嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)滲入到國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)步，生產(chǎn)工藝以及人們科技素養(yǎng)的進(jìn)一步提高，嵌入式產(chǎn)品必將在人們生產(chǎn)生活中扮演越來越重要的角色。

參考文獻(xiàn)：

[1] Arnold B.Embedded Systems Design [M].北京:電子工業(yè)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，F(xiàn)all 19991.

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

[4] 錢晉，錢偉，程娟，錢鈳.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展熱點(diǎn)及趨勢淺析[J].景德鎮(zhèn)高專學(xué)報，2007，22(4):46-47.

[5] 方鋮.嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，22(6):74-78.