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1  嵌入式系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物

1.1  什么是嵌入式系統(tǒng)

    嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，整合了計(jì)算機(jī)軟件，硬件技術(shù)，通訊技術(shù)和微電子技術(shù)，以“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備中，適用應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

對(duì)嵌入式系統(tǒng)較全面地理解應(yīng)當(dāng)從以下3方面來(lái)認(rèn)識(shí)：

    (1)  硬件應(yīng)由嵌入式處理器做基礎(chǔ)平臺(tái)；
    (2)  軟件應(yīng)由嵌入式軟件為運(yùn)行平臺(tái)；
    (3)  形式應(yīng)是嵌入在設(shè)備中，各種設(shè)備有不同的外形及相應(yīng)附屬配件，它只不過(guò)是其中的一個(gè)控制核心部件。

1.2  嵌入式處理器

嵌入式處理器的體系架構(gòu)可分為3種形式：

    (1)  IP（Intellectual Property）級(jí)架構(gòu)
    也就是片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）形式，即是依設(shè)備功能的需求，將不同的IP單元，集成在一塊芯片中，它包含有處理器功能，I/O接口功能及嵌入式軟件功能。

    (2)  芯片級(jí)架構(gòu)
    MCU、MPU、DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）、RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）等芯片，并將RAM、ROM（EPROM/ EEPROM/ Flash）及I/O接口芯片等組成相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)，相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件是以固件形式固化在電子盤中，這是目前常用的嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)方式。

•  MCU、MPU屬于單片機(jī)系列。
•  DSP具有數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)，特別適合于聲音、圖像等多媒體信息系統(tǒng)，但是其常規(guī)處理能力不強(qiáng)，尋址范圍有限，I/O功能弱及開發(fā)平臺(tái)問(wèn)題，較少單獨(dú)作為嵌入式系統(tǒng)的處理器，而是與嵌入式處理器相結(jié)合，構(gòu)成更強(qiáng)大的功能。
•  RISC型處理器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理速度快和處理功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，新型的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)采用RISC處理器，這種處理器目前典型的代表是ARM架構(gòu)處理器，世界上許多公司均基于ARM架構(gòu)開發(fā)出相應(yīng)的微處理器芯片，如：

ATMEL公司：AT91系列MCU（采用ARM7TDMI內(nèi)核）。
Intel公司：SA-1110微處理器MPU（采用Strong ARM核）。
Cirros公司：EP及CL-PS系列手持式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的MPU（采用ARM720T核）。
Linkup Systems公司：L720互聯(lián)網(wǎng)處理器（采用ARM720T）。
Sharp公司：LH77790手持式產(chǎn)品中的MPU（采用ARM 7TD內(nèi)核）。
其他如Hyundai公司、OKI公司、Rohm公司、Samsung公司、Netsilicom公司等，其產(chǎn)品中均采用ARM內(nèi)核。

•  Xscale：是另外一種新型的微架構(gòu)處理器，它是新一代為無(wú)線手持式應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器，是PCA開發(fā)式平臺(tái)架構(gòu)中應(yīng)用于子系統(tǒng)與通訊子系統(tǒng)中的嵌入式處理器。

(3)  ×86處理器嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中

    這樣可充分利用PC機(jī)的通用性和便利性，采用嵌入式操作系統(tǒng)，并且將操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件均固化在固態(tài)電子盤中，以縮小體積，增加可靠性。典型的產(chǎn)品有深圳市研祥智能科技股份有限公司的嵌入式CPU卡及威盛電子股份有限公司的C3 CPU卡。

1.3  嵌入式操作系統(tǒng)

由于嵌入式操作系統(tǒng)要固化在電子盤中，因而它應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

    (1)  代碼容量小，一般核代碼在幾K或稍高些；總代碼容量希望小于64K；
    (2)  面向應(yīng)用，根據(jù)用戶功能要求配置中間件，可裁剪，可移植；
    (3)  實(shí)時(shí)性強(qiáng)，許多應(yīng)用中要求相應(yīng)速度塊，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，往往要求實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)；
    (4)  可靠性高，無(wú)病毒等問(wèn)題。

嵌入式操作系統(tǒng)依應(yīng)用對(duì)象不同，大致可分為以下幾類：

    (1)  基于與Windows兼容的如：嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等；
    (2)  工業(yè)與通訊類：VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；
    (3)  單片機(jī)類：IRMX、CMX、MC/OS等；
    (4)  面向Internet類：Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。

1.4  嵌入式系統(tǒng)形式
    嵌入式模塊應(yīng)當(dāng)是體積小、功耗低、易于嵌入到各種應(yīng)用設(shè)備中，模塊外形可依設(shè)備需求而異，符合“量體裁衣”的原則，按需定制、按需配置、按需重構(gòu)。

1.5  嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)

    (1)  功能適用，夠用；
    (2)  可靠性高，無(wú)病毒，存儲(chǔ)介質(zhì)無(wú)機(jī)械硬盤，抗干擾能力強(qiáng)；
    (3)  體積和尺寸小；
    (4)  功耗低，無(wú)需散熱風(fēng)扇，無(wú)噪音；
    (5)  價(jià)格低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；
    (6)  環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；
    (7)  操作使用人性化、儀表化；
    (8)  有多種類型的軟件、硬件支持平臺(tái)；
    (9)  無(wú)需經(jīng)常更新?lián)Q代；
    (10)  可充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的才能，創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。

2  嵌入式系統(tǒng)促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化裝備的發(fā)展

    嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍十分廣泛，可應(yīng)用于各行各業(yè)，它是信息化建設(shè)的基石，如果說(shuō)PC機(jī)在過(guò)去幾年的發(fā)展是一支獨(dú)秀，今天嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用則是百花齊放。

    它可應(yīng)用于制造工業(yè)、儀器儀表過(guò)程控制、信息化教育、信息家電、通訊、樓宇智能化、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、商用POS和稅控收款機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。

    嵌入式技術(shù)有力地促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化裝備地發(fā)展，在儀器儀表領(lǐng)域；智能化儀表在許多方面均是應(yīng)用嵌入式技術(shù)，如醫(yī)療儀器、分析儀器、溫度儀表、流量?jī)x表、記錄儀等。

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域；嵌入式系統(tǒng)地應(yīng)用產(chǎn)品可分為4個(gè)方面：

(1)  智能傳感器
    工業(yè)測(cè)量中的溫度、流量、壓力、液位、聲音等傳感器，采用嵌入式技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，非線性校正、溫度補(bǔ)償、公式運(yùn)算、量程變換、數(shù)字信號(hào)輸出、滿足現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)傳輸。

(2)  信號(hào)變化單元

    目前很多信號(hào)變換模塊采用了微處理器，如“亞當(dāng)”系列信號(hào)變換模塊；具有RS-232轉(zhuǎn)換RS-422/485模塊；模擬量模塊；開關(guān)量和計(jì)數(shù)器模塊；嵌入式控制模塊；Internet嵌入式控制器模塊等。

(3)  現(xiàn)場(chǎng)控制器

    現(xiàn)場(chǎng)控制器包括DAS（數(shù)據(jù)采集器）、DDC（直接數(shù)字控制器）、PLC（可編程控制器）、模糊控制器、協(xié)調(diào)控制器及多功能控制器等。以往均采用工業(yè)PC及插入相應(yīng)的I/O卡進(jìn)行處理，帶來(lái)了硬盤可靠性、病毒、操作系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題，從而影響了系統(tǒng)可靠性。筆者認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)最適合這一級(jí)的產(chǎn)品技術(shù)，采用嵌入式現(xiàn)場(chǎng)控制器，用固態(tài)盤代替硬盤，用嵌入式操作系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Windows98/2000操作系統(tǒng)，并將操作系統(tǒng)，應(yīng)用組態(tài)軟件固化，從而產(chǎn)生了新一代嵌入式現(xiàn)場(chǎng)控制器，它將極大地提高系統(tǒng)可靠性，縮小了體積，減少了成本，增強(qiáng)了抗病毒和抗干擾能力，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。

(4)  嵌入式工控機(jī)

    近幾年來(lái)，嵌入式工控機(jī)隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展也應(yīng)運(yùn)而生，它分2個(gè)方面的應(yīng)用。

    一是嵌入式工控卡：如嵌入式Compact PCI卡、嵌入式2.5英寸單板計(jì)算機(jī)卡、嵌入式3.5英寸單板計(jì)算機(jī)卡、嵌入式POS和NET卡等。

    二是嵌入式工控機(jī)：最近許多公司推出了嵌入式工控機(jī)，采用嵌入式CPU、嵌入式操作系統(tǒng)Linux或Windows CE、各類嵌入式I/O模塊、從而構(gòu)成體積小，可靠性高的新型工控機(jī)。

3  嵌入式系統(tǒng)給多媒體教育系統(tǒng)帶來(lái)了生動(dòng)的活力

    近二年，多媒體教育系統(tǒng)發(fā)展迅速，包括多媒體教室、中控系統(tǒng)、語(yǔ)音教室、視頻會(huì)議系統(tǒng)等，突出一點(diǎn)是許多多媒體教育系統(tǒng)采用了嵌入式系統(tǒng)，替代了采用傳統(tǒng)PC機(jī)作為教育終端機(jī)。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)PC機(jī)式的終端機(jī)存在著PC機(jī)所有的缺點(diǎn)，如病毒侵入、可靠性問(wèn)題、死機(jī)現(xiàn)象、維護(hù)問(wèn)題、操作方式不便缺乏人性化等。而采用嵌入式教育終端機(jī)則克服了上述PC機(jī)終端機(jī)的不足，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，使用的方便性及免維護(hù)性等。北京中慶現(xiàn)代技術(shù)有限公司推出的嵌入式網(wǎng)絡(luò)教育專用計(jì)算機(jī)（終端機(jī)）是一個(gè)十分典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品。嵌入式CPU采用×86，另外具有4個(gè)DSP芯片，作為專用數(shù)據(jù)處理器，每個(gè)處理器速度都在1G以上，分別處理視頻圖像信息、音頻信息、網(wǎng)絡(luò)通訊及人機(jī)交互信息，嵌入式CPU只用于控制、分配任務(wù)、操作系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，很好地將嵌入式技術(shù)融入多媒體教育系統(tǒng)中。

    嵌入式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端機(jī)具有獨(dú)立地IP地址，與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)一道在校園網(wǎng)絡(luò)中任意漫游，較好地解決了“校校通”問(wèn)題，使教育終端機(jī)進(jìn)入各教室，對(duì)教室內(nèi)電視機(jī)、音箱及攝像機(jī)、云臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行管理和使用。嵌入式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)如下：

    (1)  構(gòu)建于Internet技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品：內(nèi)置10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，采用TCP/IP通訊協(xié)議；
    (2)  完全數(shù)字化：處理音頻、視頻、課件等多媒體數(shù)據(jù)，采用MPEG2格式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；
    (3)  強(qiáng)大的音、視頻處理能力；
    (4)  采用Client/Sever技術(shù)：與服務(wù)器協(xié)同計(jì)算，進(jìn)一步加強(qiáng)了多媒體處理能力；
    (5)  豐富的軟件支持、易于操作的人機(jī)界面：方便地實(shí)現(xiàn)VOD視頻點(diǎn)播、MOD教學(xué)課件點(diǎn)播、AOD音頻點(diǎn)播和廣播、以及管理軟件、教學(xué)軟件等；
    (6)  智能的網(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)：采用MPEG編碼技術(shù)和自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬分配技術(shù)，可以在有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬內(nèi)容納更多的多媒體數(shù)據(jù)；
    (7)  內(nèi)嵌先進(jìn)的視頻處理轉(zhuǎn)換模塊；可以輸出CVBS、S-Video和VGA三種視頻格式；
    (8)  優(yōu)良的播放效果：采用數(shù)字化技術(shù)，減少音、視頻信號(hào)的失真；
    (9)  強(qiáng)大的功能：支持課件播放、遠(yuǎn)程聽課、標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)、一鍵上課、一鍵上網(wǎng)、統(tǒng)一的課件資源管理、同時(shí)并發(fā)點(diǎn)播等功能；
    (10)  很高的可靠性：采用Flash盤不會(huì)損壞，采用嵌入式軟件免受病毒困擾，堅(jiān)固的壁掛式結(jié)構(gòu)，免招學(xué)生觸摸或自行卸拆；
    (11)  遙控器一鍵式功能操作，使教師操作簡(jiǎn)單，并可在教室范圍內(nèi)走動(dòng)隨時(shí)隨地隨講進(jìn)行操作。

    上述例子充分說(shuō)明了嵌入式系統(tǒng)不僅僅是執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)很強(qiáng)的功能，充分體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)給多媒體教育系統(tǒng)和教育信息化帶來(lái)了充分的活力和無(wú)限的生機(jī)。


4  嵌入式系統(tǒng)是信息化社會(huì)不可分割的部分嵌入式系統(tǒng)是構(gòu)建21世紀(jì)和諧社會(huì)的信息細(xì)胞。

4.1  信息化社會(huì)要構(gòu)建數(shù)字城市、智能城市均離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，如交通智能化離不開智能終端。


    商業(yè)領(lǐng)域：POS機(jī)、稅控收款機(jī)、彩票投主機(jī)、銀稅一體機(jī)、其控制器本身均采用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品；
    信息家電：數(shù)字家電、數(shù)字機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等；
    汽車電子：控制系統(tǒng)、黑盒子（行駛記錄儀）、電子地圖等；
    軍事：航空、航天、指揮儀、坦克內(nèi)部裝配等；
    通訊：PDA、手機(jī)、通訊控制器、安全檢測(cè)器、防火墻、交換機(jī)、路由器等；
    嵌入式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)NC：近年來(lái)正迅速發(fā)展，稱作為后PC時(shí)代的產(chǎn)品，主要是基礎(chǔ)平臺(tái)正是嵌入式技術(shù)，采用Windows CE或Linux嵌入式操作系統(tǒng)，CPU采用國(guó)產(chǎn)方舟二號(hào)芯片或×86系列芯片。

4.2  從e到u的信息細(xì)胞

    在現(xiàn)今全球信息化的環(huán)境中，導(dǎo)入信息化事物往往扣上字母e，如：e-business（電子商務(wù)）、e-government（電子政務(wù)）、e-market（電子市場(chǎng)）等。

    但隨著無(wú)所不在的運(yùn)算（ubiguitous computing）及移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將u（ubiguitous，意指“無(wú)所不在”）來(lái)取代e，各國(guó)均從u作為國(guó)家信息化的發(fā)展戰(zhàn)略，如：u-Japan，u-Korea計(jì)劃。

    人們將從構(gòu)建和諧社會(huì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展為基點(diǎn)，充分發(fā)展信息化，u計(jì)劃可作為借鑒。u計(jì)劃的發(fā)展正是嵌入式系統(tǒng)用武之地，構(gòu)成u計(jì)劃的信息細(xì)胞。

5  嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，給國(guó)際信息化事業(yè)帶來(lái)益處

    Internet現(xiàn)已成為國(guó)際社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施，是信息流通的重要渠道，將嵌入式系統(tǒng)能連接到Internet上面，則可以方便、低廉地信息傳送到幾乎世界上地任何一個(gè)地方，專家們預(yù)測(cè)2000～2010年是嵌入式Internet時(shí)代，它將給地球披上“電子皮膚”。嵌入式片上系統(tǒng)（SoC）成為瘦服務(wù)器，在這一時(shí)代將會(huì)產(chǎn)生比PC時(shí)代多成百上千倍地瘦服務(wù)器和超級(jí)嵌入式瘦服務(wù)器，這些瘦服務(wù)器將與世界上各種物理信息、生物信息、社會(huì)信息相聯(lián)接，通過(guò)Internet網(wǎng)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、方便、簡(jiǎn)單地提供給需要這些信息地對(duì)象。

    下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中嵌入式系統(tǒng)設(shè)備將大大增加，約70%為嵌入式設(shè)備，并與Internet相聯(lián)。

    嵌入式智能芯片是構(gòu)成未來(lái)世界的“數(shù)字基因”。未來(lái)10年將會(huì)產(chǎn)生針頭大小、具有超過(guò)1億次運(yùn)算能力地嵌入式智能芯片，將為人們創(chuàng)造出無(wú)限地創(chuàng)造空間，新的嵌入式系統(tǒng)時(shí)代即將來(lái)臨。