原 虹

(晉中學(xué)院,山西 晉中 030600)

?

試論嵌入式系統(tǒng)的處理器技術(shù)分析

原 虹

(晉中學(xué)院,山西 晉中 030600)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制使人們的生活方式發(fā)生了巨大的改變，人們?cè)絹?lái)越追求簡(jiǎn)易、便捷的生活方式。智能手機(jī)、家電、玩具等電子設(shè)備的控制核心，都與嵌入式系統(tǒng)息息相關(guān)。因此，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在人們的日常生活中運(yùn)用廣泛，并逐漸成為最熱門的系統(tǒng)技術(shù)之一，互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)之間關(guān)系日益密切，預(yù)示著嵌入式系統(tǒng)將迎來(lái)更大的發(fā)展機(jī)遇。文章介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展前景，重點(diǎn)介紹了嵌入式處理器技術(shù)的開(kāi)發(fā)與使用，并針對(duì)其中存在的一些問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案，希望通過(guò)本次研究能夠給嵌入式系統(tǒng)的處理器技術(shù)研究打開(kāi)一個(gè)新的局面。

嵌入式系統(tǒng)；處理器；開(kāi)發(fā)；應(yīng)用

全球化的到來(lái)使嵌入式系統(tǒng)技術(shù)迎來(lái)了更廣闊的發(fā)展空間，運(yùn)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，無(wú)論是教育科研、國(guó)防工程、醫(yī)療設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施，還是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫耐ㄐ殴ぞ?、交通工具、家用電器都涉及到嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)用。當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，是一個(gè)追求速度的時(shí)代，在這樣的社會(huì)中，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)逐漸不能滿足人們的需要，其功能正漸漸弱化，主要原因是：傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)只能簡(jiǎn)單地處理對(duì)外界有關(guān)控制的請(qǐng)求，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的系統(tǒng)操作，這樣的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足和適應(yīng)當(dāng)今快節(jié)奏的人類生活。為了趕上時(shí)代的步伐，研究人員只能對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行一次又一次的開(kāi)發(fā)、研究、更新，技術(shù)上得到了很大的進(jìn)步，也給人們的生活帶來(lái)了更多的方便。

1嵌入式系統(tǒng)

1.1嵌入式系統(tǒng)的概念

英國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(U.K.Institution of Electrical Engineer)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的功能，給它下了這樣的定義：嵌入式系統(tǒng)是為了控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器和用于工廠運(yùn)作的系統(tǒng)設(shè)備。我國(guó)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。與計(jì)算機(jī)執(zhí)行的任務(wù)不同，嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)必須是提前預(yù)定、帶有特定要求，也就是說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)針對(duì)的只是一項(xiàng)特定的任務(wù)。

1.2嵌入式系統(tǒng)的特征分析

1.2.1每一項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)都是為了使其產(chǎn)品得到更好的應(yīng)用，因此，嵌入式系統(tǒng)必須是服務(wù)于產(chǎn)品，服務(wù)于應(yīng)用、服務(wù)于用戶的。嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)以及相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，最終的目的都是為了滿足消費(fèi)者的需求。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用只有為消費(fèi)者帶來(lái)了便利，才能使嵌入式產(chǎn)品成為人們需要的嵌入式商品，發(fā)揮出它的作用，甚至推動(dòng)它的進(jìn)一步研究。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)具有可裁剪性和可制定性的特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)都是按照特殊要求提前預(yù)定的，是一對(duì)一的執(zhí)行模式。操作者可以根據(jù)任務(wù)的需要，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的功能、體積、消耗等各方面進(jìn)行裁剪，使該系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地完成這項(xiàng)任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的可制定性體現(xiàn)在可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行產(chǎn)品的研究和制作，在數(shù)量上有一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，不會(huì)造成產(chǎn)品的浪費(fèi)。

1.2.3嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的效率高，安全可靠故障少。嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中結(jié)合了先進(jìn)的電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)的是某一項(xiàng)特定的任務(wù)，所有的屬性都是為了該項(xiàng)任務(wù)的完成，展示出了它的可靠性。為了提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，采用的都是固化的硬件設(shè)備。電子技術(shù)的最大特點(diǎn)就是快，嵌入式系統(tǒng)結(jié)合了電子技術(shù)，適應(yīng)了電子技術(shù)的快節(jié)奏，使其能夠高效率地運(yùn)行。

1.2.4產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都要在一定的環(huán)境和條件中進(jìn)行，嵌入式系統(tǒng)本身不具備開(kāi)發(fā)能力，只有借助外在的設(shè)備才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，因此，用戶不能對(duì)其中的程序和功能進(jìn)行更改。這是嵌入式系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)之一，只有進(jìn)一步地完善，才能使其能夠進(jìn)一步地滿足消費(fèi)者的需求。

1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了它將在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，應(yīng)用前景非常廣闊。

1.3.1國(guó)防安全。嵌入式芯片的發(fā)展使機(jī)器人向微型化、智能化方向發(fā)展，同時(shí)由于先進(jìn)的技術(shù)，大幅度地減少了生產(chǎn)該設(shè)備的價(jià)格，使其能夠在國(guó)防方面大范圍的使用。大部分的遠(yuǎn)程控制器件都是基于網(wǎng)絡(luò)才能運(yùn)行，而這些器件都需要與嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，再由嵌入式系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。因此，嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)在航空航天方面發(fā)揮了巨大的作用，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)更具重大意義。

1.3.2社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施。包括金融設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備、交通管理等方面，其中應(yīng)用最為廣泛的就是交通管理方面[2]。目前，由于技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)電子設(shè)備的價(jià)格大幅度降低，GPS設(shè)備已經(jīng)從高端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的日常生活，所有的汽車都裝有導(dǎo)航設(shè)備，可以隨時(shí)隨地確定你的位置。在信息監(jiān)測(cè)、流量控制和汽車服務(wù)方面，嵌入式技術(shù)也獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.3.3家庭智能化管理。百姓生活水平的提高為家用電器打開(kāi)了市場(chǎng)，同時(shí)也成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的最大領(lǐng)域。冰箱、空調(diào)等家用電器逐漸智能化、網(wǎng)絡(luò)化，即使你不在家，你也可以通過(guò)手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。這不僅能給人們節(jié)約時(shí)間，提供便利，還能減少家庭事故的發(fā)生。

1.4嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與前景展望

數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，給嵌入式產(chǎn)品提供了發(fā)展的空間，擴(kuò)大了嵌入式產(chǎn)品的銷售市場(chǎng)，同時(shí)嵌入式產(chǎn)品也面臨更大的挑戰(zhàn)。面對(duì)機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的狀況，嵌入式系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展和更新，其發(fā)展趨勢(shì)也逐漸明顯。

1.4.1嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程具有系統(tǒng)性和整體性，因此要求廠商不僅要提供嵌入式系統(tǒng)本身所需的零件，同時(shí)還需要提供一定的開(kāi)發(fā)設(shè)備，合適的開(kāi)發(fā)環(huán)境。目前，很多的廠商都沒(méi)有注意到這一點(diǎn)，在推出系統(tǒng)的同時(shí)不會(huì)對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行推廣。

1.4.2小體積、微功耗、低成本。嵌入式產(chǎn)品是由軟件和硬件組成，兩者緊密結(jié)合才能設(shè)計(jì)出擁有特定功能的系統(tǒng)，為了減低功耗和成本，設(shè)計(jì)者要選用最佳的編程模型，不斷地改進(jìn)算法，在不影響嵌入式產(chǎn)品功能的情況下盡可能地簡(jiǎn)化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只保留對(duì)系統(tǒng)功能起決定性作用的零件，實(shí)現(xiàn)用最少的資源生產(chǎn)出高質(zhì)量、高性能產(chǎn)品的目標(biāo)。

1.4.3與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合成為必然趨勢(shì)。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子技術(shù)的成熟使電話、手機(jī)、冰箱等設(shè)備逐漸向智能化方向發(fā)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加的復(fù)雜，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)逐漸顯現(xiàn)出了其功能的缺乏。為了使嵌入式系統(tǒng)能夠與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的對(duì)接，嵌入式設(shè)備必須配有更多的網(wǎng)絡(luò)通信接口。

1.4.4實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)互動(dòng)。人們接受嵌入式設(shè)備，不僅是因?yàn)樗R全的功能，還有它在工作中的感染力、說(shuō)服力和親和力。嵌入式系統(tǒng)能用直觀的圖像，機(jī)動(dòng)的控制方式，提供人機(jī)之間自然的交流界面。這種互動(dòng)模式為嵌入式設(shè)備增添了不少的親和力，兩者之間的互動(dòng)就像是老朋友之間的交談。

2嵌入式系統(tǒng)的處理器

2.1嵌入式處理器概念

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能將直接影響著整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的功能。一般情況下，嵌入式處理器都被認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)中的運(yùn)算器件和控制核心器件[3]。

2.2嵌入式處理器的特點(diǎn)

2.2.1小尺寸、低功耗、低成本[4]。為了滿足用戶的需要，提供便捷的攜帶方式，嵌入式處理器逐漸向小型化發(fā)展。各種手持式的、可移動(dòng)的嵌入式設(shè)備的能源都來(lái)自于電池，只有嵌入式處理器低功耗才能保證工作時(shí)間和效率。提高處理器芯片的復(fù)用率是降低成本的關(guān)鍵，這就要求開(kāi)發(fā)人員利用先進(jìn)的技術(shù)，選用最佳的材料生產(chǎn)出高性能的處理器芯片。

2.2.2存儲(chǔ)區(qū)的保護(hù)功能。為了避免軟件模塊之間產(chǎn)生交叉作用，出現(xiàn)錯(cuò)誤，嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采取的是模塊化的方式，這樣的設(shè)計(jì)不僅為存儲(chǔ)區(qū)提供了強(qiáng)大的保護(hù)功能，還為軟件提供了診斷技術(shù)，使用者能夠在第一時(shí)間了解系統(tǒng)情況，及時(shí)排除故障。

2.2.3可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)的功能是單一的、有針對(duì)性的，但這并不意味著構(gòu)成這一設(shè)備的所有零件都是一次性的。比如，嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展，對(duì)零件可以進(jìn)行再一次的重組，重新設(shè)計(jì)出具有另一功能的嵌入式產(chǎn)品，這就極大地提高了嵌入式芯片的復(fù)用率和嵌入式處理器的使用性能。

2.3處理器技術(shù)分析

嵌入式處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心器件，開(kāi)發(fā)處理器的技術(shù)是提高嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵。發(fā)揮好處理器的技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性、程序執(zhí)行的有序性[5]。

2.3.1專用技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)的作用針對(duì)的是某一特定的任務(wù)，是可制定和可裁剪的。在這一點(diǎn)上，與計(jì)算機(jī)的通用技術(shù)是不一樣的。計(jì)算機(jī)的通用技術(shù)執(zhí)行的是多方面的任務(wù)，嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行的是單方面的任務(wù)，將嵌入式處理器的研究走向?qū)I(yè)化，做到具體問(wèn)題具體分析，可以優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系。

2.3.2單一技術(shù)。單一技術(shù)的處理器，是根據(jù)用戶的某一項(xiàng)具體要求來(lái)進(jìn)行程序指令，其功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化，具有針對(duì)性。單一技術(shù)應(yīng)用的典型是解碼器，其要求的是單一和一對(duì)一。這種技術(shù)針對(duì)性強(qiáng)，但是效率低，存儲(chǔ)量小，缺乏安全性和穩(wěn)定性。

2.3.3通用技術(shù)。通用型的處理器在運(yùn)用上的范圍較為廣泛，可以將嵌入式系統(tǒng)改造成多功能的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)為用戶提供了多種功能的接口，在一定程度上達(dá)到了兼容性、擴(kuò)展性和靈活性。利用先進(jìn)的電子技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和集成電路的技術(shù)，在嵌入式處理器的制作上加以研究，開(kāi)發(fā)出能夠適配多種功能的處理器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)嵌入式處理器的最優(yōu)化。

3結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，寬帶速度的提高，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。在未來(lái)的生活中，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)將會(huì)運(yùn)用得更加廣泛，逐漸走進(jìn)尋常百姓家，并且與他們的生活息息相關(guān)。這給嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)工作奠定了強(qiáng)有力的民眾基礎(chǔ)?，F(xiàn)有階段的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)不能滿足未來(lái)人們的需求，但是能為今后的研究人員提供幫助和經(jīng)驗(yàn)上的借鑒。未來(lái)的研究人員應(yīng)以民眾為基礎(chǔ)，以消費(fèi)者的需求為研究方向，以提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)為工作的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，遵照嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)規(guī)律，認(rèn)真努力地工作，創(chuàng)造出性能高、價(jià)格低、種類多的嵌入式產(chǎn)品。

[1]徐德.嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)研究概述[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016(6):3813-3816.

[2]李傳娣.嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與開(kāi)發(fā)運(yùn)用[J].黑龍江科學(xué),2014(2):30-31.

[3]廖娜.嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與開(kāi)發(fā)應(yīng)用探討[J].電子測(cè)試,2013(5):81-83.

[4]余東海.嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與開(kāi)發(fā)運(yùn)用[J].信息通信,2014(3):98.

[5]龐春輝.淺析計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2015(3):49.

(責(zé)任編輯：高 堅(jiān))

2016-03-26

晉中學(xué)院教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目(ZL2016jg06)

TP368.1

A

167-8535(2016)03-0018-04

原虹(1981-),女，山西臨猗人，晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。