1、課程考核論文課程名稱信息學導論學生姓名曾文靜學號1141304067系、專業(yè)信息工程系電子科學與技術專業(yè)2013年6月15日淺談嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景摘要:從嵌入式系統(tǒng)的含義、特點、開發(fā)平臺及其工業(yè)特征出發(fā)，深入闡述了嵌入式計算機技術的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了嵌入式系統(tǒng)產業(yè)在我國的廣闊發(fā)展前景景。1 .嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及典型應用產品在現(xiàn)在日益信息化的社會中，計算機和網絡已經全面滲透到日常生活的每一個角落。對于我們每個人，需要的已經不再僅僅是那種放在桌上處理文檔，進行工作管理和生產控制的計算機"機器"；各種各樣的新型嵌入式系統(tǒng)設備在應用數(shù)量上已經遠遠超過通用計算機，任何一個普

2、通人可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術的電子產品，小到mp3,PDA等微型數(shù)字化產品，大到網絡家電，智能家電，車載電子設備。而在工業(yè)和服務領域中，使用嵌入式技術的數(shù)字機床，智能工具，工業(yè)機器人，服務機器人也將逐漸改變傳統(tǒng)的工業(yè)和服務方式。近幾年，嵌入式系統(tǒng)產品日臻完善，并在全世界各行業(yè)得到廣泛應用。嵌入式系統(tǒng)產品的研制和應用已經成為我國信息化帶動工業(yè)化、工業(yè)化促進信息化發(fā)展的新的國民經濟增長點。隨著信息化、智能化、網絡化的發(fā)展，嵌入式技術將全面展開，現(xiàn)在嵌入式已經成為通信和消費類產品的共同發(fā)展方向。總體來說，嵌入式系統(tǒng)分別在硬件和軟件方面獲得發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)必將成為當今IT界的又一焦點，開發(fā)

3、自主知識產權的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)，對于我們國家的民族IT產業(yè)來講具有十分重要的戰(zhàn)略意義。從國內IT市場來看，嵌入式系統(tǒng)及其產品在由家電產品和Internet衍生出來的新型市場中占有主導地位和獨特份咨頁°在消費家電的智能化的今天，嵌入式更顯重要。像我們平常見到的手機、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3Player、數(shù)字相機（DC）、數(shù)字攝像機（DV）、U-Disk、機頂盒（SetTopBo為、高清電視（HDTV）、游戲機、智能玩具、交換機、路由器、數(shù)控設備或儀表、汽車電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航天航空設備等等，都是典型的嵌入式系統(tǒng)。據(jù)預測，隨著Intern

4、et的迅速發(fā)展和廉價微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)將在日常生活里形成更大的應用領域。例如，行車稱重無線遙測調度系統(tǒng)：由貴溪冶煉廠和北京市自動化系統(tǒng)成套工程公司合作開發(fā)，用在貴溪冶煉車間。具體要求為系統(tǒng)前端由安裝在行車上的行車工作站（3臺）構成，行車工作站將行車稱重信號轉換成數(shù)字信號，并將采集的數(shù)字信號經處理后，通過無線電臺傳送給地面接收電臺，接收電臺將信號傳輸給地面工作站，地面工作站將接收到的信號進行歸納處理、監(jiān)視，通過雙絞線傳送給閃速爐、陽極爐操作室顯示，通過以太網傳送給5臺轉爐操作并顯示，傳送給車間辦公室終端，車間辦公室進行最終的數(shù)據(jù)歸納、生成報表并打印。其中行車工作站主要采用PC/104數(shù)據(jù)

5、采集卡和研華公司3.5英寸餅干PC機PCM-4,該機主板上帶有LoadbusIDE,VGA/LCD口,2個串口，1個并口和軟驅接口，并附16M電子硬盤，體積小巧卻達到了486級工業(yè)PC的配置水平。顯示屏采用EL致發(fā)光屏（帶觸摸屏），通過RS232接口與調制解調器及數(shù)據(jù)傳輸電臺相連。行車工作站采用Windows32操作系統(tǒng)和組態(tài)王2.0版軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、輸入行車運行狀態(tài)、參數(shù)計算、顯示功能，并在該軟件基礎上開發(fā)無線數(shù)據(jù)通訊2 .嵌入式系統(tǒng)介紹2.1 嵌入式系統(tǒng)的含義及分類嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的

6、專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。2.2 嵌入式系統(tǒng)的分類目前嵌入式系統(tǒng)除了部分為32位處理器外，大量存在的是8位和16位的嵌入式微控制器(MCU)，嵌入式系統(tǒng)是計算機應用的另一種形態(tài)，正如前所述它與通用計算機應用不同：嵌入式計算機是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產品和系統(tǒng)之中的一種軟硬件高度專業(yè)化的特定計算機系統(tǒng)。目前根據(jù)其發(fā)展現(xiàn)狀，嵌入式計算機可以分成下面幾類：(1)嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorunit,E

7、MPU)嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。(2)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微控制器又稱單片機。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROMPEPROMRAM、總線、總線邏輯、定時P計數(shù)器、WatchDog、IPO串行口、脈寬調制輸出、APD、DPAFlashRAM、E2

8、PROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。(3)嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法,編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域,D

9、SP應用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。(4)嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及化，及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是SystemOnChip(SOC)o各種通用處理器內核將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應

10、用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。2.3 嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的不同嵌入式操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。2.4 常見的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，軟硬件可裁減

11、的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件”。目前嵌入式操作系統(tǒng)呈現(xiàn)多元話趨勢主要有：DOS雖然微軟Windows系統(tǒng)已經稱霸了PCDesktop環(huán)境。但是對于嵌入式系統(tǒng)這塊大餅，微軟也是垂涎已久，桌上型的Windows桌業(yè)系統(tǒng)對于嵌入式系統(tǒng)來說自然是太過于肥大的產物，于是微軟推出精簡版的微軟一系列Windows系統(tǒng)一般，WindowsCE也承襲了原有的缺點：耗系統(tǒng)資源、不穩(wěn)定、效

12、率不佳.等等。毛病實在太多，后來將整個架構重新改寫后推出WindowsCE3.0版，或稱PocketPG改版之后的確改進了不少缺點。Palm：由PalmComputing公司的嵌入式操作系統(tǒng)，目前最大的應用在PDA,是市場占有率最高的PDA操作系統(tǒng)，Palm操作系統(tǒng)架構非常簡潔，因為少去了很多功能，如內存管理、多任務.等等，使得Palm可以非常不耗系統(tǒng)資源，硬件需求低，連帶的整體耗電量便可壓縮到非常低，因此采用Palm操作系統(tǒng)的PDA都有待機時間長的優(yōu)點。Linux：linux采用GPL授權，除了把原始碼公開以外，任何人都可以自由使用、修改、散布，而Linux核心本身采模塊化設計，讓人很容易增

13、減功能，例如我的平臺并不需要藍芽的功能，我只要不把這項功能加入，有需要就加入，不需要就刪除，由于這樣的高的彈性，我們可以調校出最適合我們硬件平臺的核心出來2.5 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點2.5.1 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)則不同，它是一個分散的工業(yè)，充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新，沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。即便在體系結構上存在著主流，但各不相同的應用領域決定了不可能有少數(shù)公司、少數(shù)產品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領域的產品和技術，必然是高度分散的，留給各個行業(yè)的中小規(guī)模高技術公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會上的各個應用領域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式

14、處理器核心也同步發(fā)展，這也構成了推動嵌入式工業(yè)發(fā)展的強大動力。2.5.2 嵌入式系統(tǒng)軟件的特征嵌入式處理器的應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵，對嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應用軟件的要求也和通用計算機有所不同。軟件要求固態(tài)化存儲為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。軟件代碼高質量、高可靠性盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中,存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。系統(tǒng)軟件（OS兩高實時性是基本要求嵌

15、入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，如果獨立于應用自行發(fā)展，則會失去市場。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約，這些也是各個半導體廠商之間競爭的熱點。嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。嵌入式系統(tǒng)中的軟件，一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體，可隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應用軟件生命周期也和嵌入式產品一樣長。另外各個行業(yè)的應用系統(tǒng)和產品，和通用計算機軟件不同很少發(fā)生突然性跳躍嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強調可繼承性和技術銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)

16、定。多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務調度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的實時性是基本要求。2.5.3 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境通用計算機具有完善的人機接口界面，在上面增加一些開發(fā)應用程序和環(huán)境即可進行對自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。2.5.4 嵌入式系統(tǒng)軟件需要R

17、TO所發(fā)平臺通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應用程序接口(API)，是計算機基本組成不可分離的一部分，應用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在操作系統(tǒng)(OS)平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTO所發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。2.5.5 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應用專家為主通用計算機的開發(fā)人員一般是計算機科學或計算機工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個不同行業(yè)白應用相結合的，要求更多的計算機以外的專業(yè)知識，

18、其開發(fā)人員往往是各個應用領域的專家。因此開發(fā)工具的易學、易用、可靠、高效是基本要求。三、簡單的嵌入式系統(tǒng)簡單的嵌入式設備往往由按鈕，發(fā)光二極管(LEDs),和僅僅能顯示小字符或數(shù)字的顯示器，以及簡單的菜單系統(tǒng)組成。較為復雜的嵌入式系統(tǒng)擁有的完整的圖形屏幕、觸摸感應或屏幕邊緣按鈕在最大限度地使用空間的同時，提供了足夠的靈活性：指點控制是很自然的非常理想的操控方式，這樣的方式可以改變的屏幕意義。在嵌入式系統(tǒng)設計中有許多不同的CPU架構，如ARM、MIPSColdfire/68k、PowerPC、X86、PICIntel8051、AtmelAVR、RenesasH8SH、V850、FR-VM32R、

19、DMCU等。PC/104標準是小型、小批量嵌入式和ruggedized系統(tǒng)設計的基礎。這些系統(tǒng)通常使用DOSLinux、NetBSD或者如QNX、Inferno這樣的實時嵌入式操作系統(tǒng)。大批量生產的嵌入式系統(tǒng)的通常配置是系統(tǒng)單芯片(en:SystemOnChip),它是一個專用集成電路，CPU是外購的知識產權并且添加到集成電路設計中。一個類似的常用機制是使用可編程門陣列，所有的邏輯包括CPU部分都可以編程實現(xiàn)。許多時髦的FPGA都是為這個目的設計的。四、啟動嵌入式系統(tǒng)帶有啟動代碼，通常它禁止中斷、設置電子設備參數(shù)、測試計算機(RAM、CPU和軟件)，然后開始應用程序運行。許多嵌入式系統(tǒng)從短暫的

20、掉電狀態(tài)恢復，經常重起而不進行最近的自檢。在十分之一秒內重起是常見的現(xiàn)象。內部自檢許多嵌入式系統(tǒng)都有一定程度或者一定數(shù)量的內部加電自檢，自檢有幾種類型：1 .計算機檢查：檢查CPURAM和程序存儲器。通常一加電就開始這些檢查，在一些安全性非常重要的系統(tǒng)中，通常周期性地在安全時間間隔內進行自檢，或者經過一段時間就進行自檢。2 .外圍設備檢查：仿真輸入和讀入數(shù)據(jù)或者測量輸出數(shù)據(jù)。有大量的通信、模擬和控制系統(tǒng)都有這些非常廉價的檢查。3 .電源檢查：通常測試每個供電電路，也可能檢查電池或者主電源輸入。通常供電部分的負載都很重，并且少有余量，所以這項檢查很有意義。4 .通信檢查：驗證從相連單元接收到的簡

21、單消息，例如在互聯(lián)網上使用ICMP消息“ping”。5 .電纜檢查：將線連結到待檢查的電纜上指示針進行檢查。如電話這樣的同步通信系統(tǒng)經常使用“同步”測試。電纜檢查成本很低，當單元部分有插頭的時候這項檢查尤其重要。6.裝備檢查：一個系統(tǒng)在安裝時經常需要進行調整，這項檢查就向安裝人員做出狀態(tài)指示。7.消耗檢查：檢查系統(tǒng)所消耗的東西、在預量太低時發(fā)出警告。最常見的例子是汽車的油量表，最復雜的例子可能是維持化學反應物詳細狀態(tài)的自動醫(yī)學分析系統(tǒng)。8.運行檢查：檢查用戶關心的系統(tǒng)運行狀態(tài)。顯然，在系統(tǒng)運行時必須進行這項檢查，這方面的檢查包括飛機上的導航儀器、汽車的速度表和磁盤的指示燈等。9.安全檢查：在安

22、全時限內進行檢查確保系統(tǒng)仍然可靠。安全時限通常小于能夠產生損害的最小時間。五、可靠性體系根據(jù)人們需求的不同可靠性也有不同的定義，有意思的事，可靠性的類型卻相對較少，相似可靠性類型的系統(tǒng)使用相似類型的內在檢查和恢復方法：1.系統(tǒng)非常不安全或者無法修理。這包括太空系統(tǒng)、水下電纜、導航燈塔、鉆孔系統(tǒng)，非常奇怪的是還包括汽車和大規(guī)模生產產品。總的來說，嵌入式系統(tǒng)檢測各個子系統(tǒng)、在線切換到冗余部分或者工作在“l(fā)imp模式”提供部分的功能。大規(guī)模生產的消費產品如汽車、個人電腦或者打印機也屬于這個類別，這是因為與購買的費用相比維修費用高昂、維修人員又路途遙遠。2.系統(tǒng)不能安全地停止運行。這包括飛機導航、反應

23、控制系統(tǒng)、重要的化學工廠安全控制、鐵路信號、單發(fā)動機飛機的發(fā)動機，如上所述，但是“l(fā)imp模式”較難容忍，通常需要操作員選擇備份系統(tǒng)。3.系統(tǒng)停機時將會造成大量的金錢損失。這些包括電話交換機、工廠控制、橋梁和電梯控制、資金轉移、市場開發(fā)、自動銷售和服務等，這些系統(tǒng)通常有一些運轉/不運轉測試，它們通常帶有在線冗余或者使用替換系統(tǒng)和人工過程的limp模式。4.系統(tǒng)不安全的時候不能操作。同上面的情況類似，系統(tǒng)的運行將會造成大量的金錢損失。醫(yī)療設備、帶有發(fā)動機這樣的熱備份的飛行器、化學工廠控制、自動股票交易、游戲系統(tǒng)等。測試可能是五花八門，但是出錯時能夠做的就是停止整個系統(tǒng)。六、嵌入式系統(tǒng)的應用前景嵌

24、入式控制器的應用幾乎無處不在：移動電話、家用電器、汽車,無不有它的蹤影。嵌入控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點，其應用已深入到工業(yè)、農業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領域，對各行各業(yè)的技術改造、產品更新?lián)Q代、加速自動化化進程、提高生產率等方面起到了極其重要的推動作用。嵌入式計算機在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機，一臺通用計算機的外部設備中就包含了5-10個嵌入式微處理器。在制造工業(yè)、過程控制、網絡、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是專用計算機工業(yè)，其目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更

25、普遍、更適用；通用計算機的發(fā)展變?yōu)楣δ茈娔X，普遍進入社會，嵌入式計算機發(fā)展的目標是專用電腦，實現(xiàn)“普遍化計算”，因此可以稱嵌入式智能芯片是構成未來世界的“數(shù)字基因”。正如我國資深嵌入式系統(tǒng)專家一沈緒榜院士的預言，“未來十年將會產生頭大小、具有超過一億次運算能力的嵌入式智能芯片”，將為我們提供無限的創(chuàng)造空間。總之“嵌入式微控制器或者說單片機好象是一個黑洞，會把當今很多技術和成果吸引進來。中國應當注意發(fā)展智力密集型產業(yè)”。七、嵌入式課程學習總結嵌入式系統(tǒng)無疑是當前最熱門最有發(fā)展前途的IT應用領域之一，可應用在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理、網絡及電子商務、環(huán)境檢測和機器人等方面。ARM技術的IP在許多領域已經取得了很大的成功。我們有理由相信，未來的電子技術就是嵌入式系統(tǒng)技術的天下。嵌入式系統(tǒng)無疑是當前最熱門最有發(fā)展前途的IT應用領域之一。嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專用設備上，通常這些設備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，并且對成本很敏感，有時對實時響