摘 要：隨著二十一世紀(jì)信息時代到來，越來越多數(shù)字產(chǎn)品出現(xiàn)在我們身邊，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展也進入全盛時期。移動通信設(shè)施、便攜計算機、平板電腦、消費電子領(lǐng)域甚至軍事領(lǐng)域都或多或少的存在嵌入式系統(tǒng)的影子。作為集多種技術(shù)于一身的嵌入式系統(tǒng)，有著自身發(fā)展優(yōu)勢，下面就嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及未來發(fā)展趨勢談?wù)劚救艘稽c體會。

關(guān)鍵詞：嵌入式；嵌入式系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)設(shè)計；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP368.1

1 嵌入式系統(tǒng)的歷史

20世紀(jì)60年代以晶體管、磁芯存儲為基礎(chǔ)的計算機開始用于航空等軍用領(lǐng)域。

20世紀(jì)70年代之后，隨著單片機出現(xiàn)，再到今天發(fā)展成各式各樣的嵌入式微處理器。這使得汽車、民用電器、工業(yè)機械器材及各種通信設(shè)施，通過內(nèi)嵌電子設(shè)備來獲得更好的使用性能，這些內(nèi)嵌的電子設(shè)備已經(jīng)初步具備了嵌入式的特點。

20世紀(jì)80年代，計算機程序編寫有了突飛猛進的發(fā)展，專業(yè)人士開始用更高級更精準(zhǔn)的操作系統(tǒng)編程進行實際嵌入式應(yīng)用，使得他們不但節(jié)約開發(fā)成本，并且可以獲得極高的開發(fā)效率和更短的開發(fā)周期。

20世紀(jì)90年代，隨著對實時性功能急迫要求及各種應(yīng)用軟件的出現(xiàn)，導(dǎo)致軟件規(guī)模數(shù)量不斷上升，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)開始出現(xiàn)新的變化，實時性變得非常突出，從而導(dǎo)致一場嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的革命。

2 嵌入式系統(tǒng)的定義

國際上通用的嵌入式系統(tǒng)定義是“控制、監(jiān)視或者輔助機器和設(shè)備運行的系統(tǒng)裝置，從而完成既定功能的一種軟件系統(tǒng)”。

在我們國家嵌入式系統(tǒng)概念一般認為是：嵌入式系統(tǒng)是以計算機實際應(yīng)用為基礎(chǔ)，輔以計算機技術(shù)，對實際應(yīng)用功能、安全可靠性、資本消耗等各種程序為導(dǎo)入要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備及客戶應(yīng)用程序組成。

通常的嵌入式系統(tǒng)有以下幾種：：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive。

3 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2011年全球嵌入式軟件市場平均增長率為31%，中國嵌入式軟件市場則超過了40%，居世界之首，2012年中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)銷售收入已突破3000億元人民幣，但仍有市場空間。有業(yè)內(nèi)專業(yè)咨詢公司預(yù)計未來5年，嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速增長態(tài)勢，到2015年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達到5000億元人民幣。

在網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備、消費電子、數(shù)字家電、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)精準(zhǔn)控制方面都是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域，同時嵌入式系統(tǒng)在辦公自動化、金融電子、國防軍事及航空航天等領(lǐng)域也有她的身影，嵌入式軟件均已得到廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用深度方面，也由最簡單的僅有執(zhí)行單一功能控制能力的嵌入式系統(tǒng)，發(fā)展到幾乎與PC具有一樣的功能，很多復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，由若干個小型嵌入式系統(tǒng)組成。隨著需求的旺盛、技術(shù)的進步和市場的成熟，嵌入式設(shè)計與應(yīng)用已成為工業(yè)現(xiàn)代化、智能化的必經(jīng)之路，使嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)與數(shù)字化時代的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的融合趨勢進一步加強。

4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計部分

對于嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，包含處理器以及I/O 端口等，具體設(shè)計包含以下幾個部分。

處理器設(shè)計：在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，其核心就是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器設(shè)計中，應(yīng)該具備對實時多任務(wù)的響應(yīng)能力，具有很強的存儲保護功能，具有可擴展性，降低嵌入式微處理器功耗。

總線設(shè)計：在總線設(shè)計部分，因為總線是進行互連以及傳輸信息、指令、數(shù)據(jù)的橋梁，因此在設(shè)計中應(yīng)該特別注意，因此在嵌入式系統(tǒng)中，可以采用片內(nèi)總線與片外總線的方式，確保CPU 與片內(nèi)部件的連接，也可以確保與外部設(shè)備的準(zhǔn)確連接。

存儲器設(shè)計：在對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)可以分為高速緩存Cache以及主存、外存三種形式的存儲器，在設(shè)計中對這三個存儲器也應(yīng)該有明確的設(shè)計，以便提高系統(tǒng)的運行速度。

I/O端口設(shè)計：對于嵌入式系統(tǒng)的I/O設(shè)計中，因為嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的，因此對于輸入/輸出接口設(shè)計中，應(yīng)該具備多任務(wù)、多平臺的特點，確保嵌入式系統(tǒng)的適用性。

4.2 軟件設(shè)計部分

對于嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，首先應(yīng)該清楚嵌入式軟件是嵌入在硬件內(nèi)的操作系統(tǒng)或者開發(fā)工具軟件，是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)聯(lián)核心，與嵌入式系統(tǒng)是密不可分的，因此對于嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計中應(yīng)該具備一定的優(yōu)勢，嵌入式操作系統(tǒng)中，包括驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核以及通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等程序，以滿足嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的需求。

軟件設(shè)計中的任務(wù)管理：對于嵌入式系統(tǒng)來說，在內(nèi)核的軟件設(shè)計部分，其任務(wù)管理中應(yīng)該具備任務(wù)調(diào)度、刪除任務(wù)、創(chuàng)建任務(wù)、掛起任務(wù)以及設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級的功能，以此來實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度。

內(nèi)存管理的設(shè)計：在嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，對于系統(tǒng)的內(nèi)存管理中，將會采用靜態(tài)內(nèi)存分配以及動態(tài)內(nèi)存分配的方式進行管理，并且應(yīng)用虛擬內(nèi)存技術(shù)，為實時用戶提供強大的虛擬存儲管理機制。

通信以及同步互斥機制：對于嵌入式系統(tǒng)的通信，將會采用一定的機制，實現(xiàn)任務(wù)間的通信，在優(yōu)先級的限制性下實現(xiàn)任務(wù)的中斷、同步以及互斥的功能。

軟件設(shè)計中的中斷管理：中斷設(shè)計中，當(dāng)程序中的中斷發(fā)生時，需要對中斷現(xiàn)場進行保存，將其轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序上，并且在退出中斷后還要恢復(fù)中斷。

軟件設(shè)計中的時間管理：在嵌入式系統(tǒng)中，具有很高的時效性，這些全是依靠時鐘的作用，因此在軟件設(shè)計中提供高精度以及可以設(shè)置的時鐘，在嵌入式系統(tǒng)中負責(zé)與時間有關(guān)的任務(wù)管理工作；其中包括對計時、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等。

任務(wù)擴展功能的設(shè)計：在嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計部分，在軟件設(shè)計中還需要設(shè)置一些任務(wù)擴展部分，以此來實現(xiàn)對新任務(wù)的創(chuàng)建、切換以及刪除工作，提高嵌入式系統(tǒng)的使用效率。

5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢

隨著信息時代的到來，嵌入式系統(tǒng)有了快速發(fā)展的基礎(chǔ)，也產(chǎn)生了眾多嵌入式產(chǎn)品，為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展展現(xiàn)了美好的未來，從目前來看，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢有以下幾點：

首先，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一項綜合系統(tǒng)工程，包括了幾項或者N項不同系統(tǒng)產(chǎn)品的集合體。嵌入式系統(tǒng)研發(fā)廠商不但要提堅實可靠的嵌入式系統(tǒng)軟硬件，還需要提供為嵌入式系統(tǒng)軟硬件服務(wù)的開發(fā)工具和軟件支持，這是嵌入式系統(tǒng)能良好發(fā)展下去的必備條件。

其次，現(xiàn)實社會的高度信息化對嵌入式系統(tǒng)要求越來越高，并且二者依賴性越來越強。這不光表現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，3G、4G帶寬速度提高，歸根到底是人類知識成幾何級數(shù)爆發(fā)，這樣的產(chǎn)品使得我們身邊的多媒體產(chǎn)品和遠程智能操控更加便捷，如手機、智能家電（電視、冰箱、空調(diào)、微波爐）、智能房屋等功能不再單一，打破了人們對一般產(chǎn)品的慣性思維，導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

再次，現(xiàn)實生活產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（虛擬世界）是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。這主要體現(xiàn)在嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)高速運行的網(wǎng)絡(luò)，通過硬件上不同的網(wǎng)絡(luò)通信信息接口來進行各種不同功能有機整合。目前嵌入式處理器大多是內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，支持TCP/IP協(xié)議，同時支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA當(dāng)中的一種或者幾種，嵌入式系統(tǒng)軟件系統(tǒng)內(nèi)核還要支持不同網(wǎng)絡(luò)模塊版本，以此來實現(xiàn)工作、生活、娛樂三合一式上網(wǎng)要求。

四是精簡嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，適當(dāng)降低系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)功能成本最大化。在人們的設(shè)想中未來的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)該是適用性強、覆蓋面廣、性價比高、價格低廉的一款大眾化產(chǎn)品，這就要求嵌入式系統(tǒng)研發(fā)廠商不但減低系統(tǒng)功耗，減少不必要的成本，還要精簡系統(tǒng)內(nèi)核，求得與系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件設(shè)計，運用價值工程原理進行優(yōu)化組合生產(chǎn)出更多更優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。

最后嵌入式系統(tǒng)要為客戶提供更多更理想的多媒體人機界面，完美體現(xiàn)人性化的一面。

之所以嵌入式設(shè)備產(chǎn)品能有很好的發(fā)展前景，與嵌入式系統(tǒng)方便快捷人性化特點是分不開的。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品不光與客戶互動，還能虛擬化出現(xiàn)實生活中的場景，讓客戶深入其中，為人們帶來巨大角色互換感覺，同時也對產(chǎn)品的圖像界面、靈活的操制方法及便攜等提出了更高的要求，嵌入式設(shè)備的高要求反過來促使軟件設(shè)計人員在多媒體（或者M媒體）技術(shù)上下大力氣進行編程擴展。如，界面手寫輸入、語音輸入、遠程家電控制、圖像色彩、多合一功能等等都要客戶獲得嶄新的感受，成為人們生活中不可離缺的一部分。

6 流行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)介紹

嵌入式linux是將現(xiàn)階段的人們經(jīng)常使用的Linux操作系統(tǒng)進行修改升級，并讓其在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行，保證使用者要求功能的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux特點一是既繼承了互聯(lián)網(wǎng)上無限的開放源代碼，二是它的版權(quán)費免費（我認為未來一定時期內(nèi)是免費的，可能是十年吧，但天底下沒有免費的午餐），三是便捷性操控性能優(yōu)異，更容易軟件移植，四是產(chǎn)品更替速度快，研發(fā)周期短，產(chǎn)品上市迅速，極大地發(fā)揮人類知識的創(chuàng)造力。五是產(chǎn)品實時性能穩(wěn)定，安全性好、性價比高。

嵌入式linux速度很快，linux是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核最小只有一兩百KB。Linux是免費的OS，在價格上極具競爭力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)，Toker ring、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以Linux很適于做信息家電的開發(fā)，還有使用Linux為的是來開發(fā)無線連接產(chǎn)品的開發(fā)者越來越多。

嵌入式Linux的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了我們生活工作大部分空間，人們越來越離不開它，它影響著并在一定程度上改變著我們的生活與工作方式。近來研發(fā)人員利用嵌入式Linux自身特點，把它應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)里中，像GNOME，KDE，UTITY等都是很優(yōu)秀的桌面管理器就是一個典型，并且其背后有著眾多的社團支持，可定制性極強，這點已經(jīng)在Unix和Linux世界普及開來。

7 結(jié)束語

作為新一代IT發(fā)展和提升價值鏈高端地位的關(guān)鍵技術(shù)，可信嵌入式軟件是推動中國高端裝備產(chǎn)業(yè)由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵因素。 綜上所述，在今后的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中，還將更加趨于低成本、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精簡化、效率高以及集成性的發(fā)展趨勢，讓嵌入式系統(tǒng)徹底改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

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作者簡介：尹泉（1992.08-），男，吉林長春人，研究方向：軟件工程專業(yè)-嵌入式系統(tǒng)方向。

作者單位：電子科技大學(xué)信息與軟件工程學(xué)院，成都 610054