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嵌入式“点点”系列之二

2已有 351 次阅读  2010-09-26 10:28   标签嵌入式 

 当我们满怀憧憬与希望跨入二十一世纪大门的时候,计算机技术也开始进入一个被称为后PC技术的时代。

    在现在日益信息化的社会中,计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们每个人,需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档,进行工作管理和生产控制的计算机"机器";各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机,任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品,小到mp3,PDA等微型数字化产品,大到网络家电,智能家电,车载电子设备。而在工业和服务领域中,使用嵌入式技术的数字机床,智能工具,工业机器人,服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。 

    目前嵌入式系统技术已经成为了最热门的技术之一,吸引了大批的优秀人才投入其中。但是对于何为嵌入式系统,什么样的技术又可以称之为嵌入式技术,仍在讨论之中,有关嵌入式系统定义的问题,已经在很多论坛社区引发了多次争论。就这个问题我们可以分别从广义上和狭义上讲:

     广而化之,可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。作为系统核心的微处理器又包括三类:微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、嵌入式微处理器(MPU)。所以有人简单的说:"嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。"还有人认为嵌入式系统就是"以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统"。应该说后者从功能应用特征上比较好的给出了嵌入式系统的定义,嵌入式的概念的分析根本上应该从应用上加以切入。

    从狭义上讲,我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统,具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统,这里的微处理器专指32位以上的微处理器。按照这种定义,典型的嵌入式系统有使用x86的小型嵌入式工控主板,在各种自动化设备,数字机械产品中有非常广阔的应用空间;另外一大类是使用Intel,Motorola等专用芯片构成的小系统,它不仅仅在新兴的消费电子和通讯仪表等方面获得了巨大的发展应用空间,而且甚至有趋势取代传统的工控机。现在大家更加清楚的看到:嵌入式技术的春天已经来了。所以也就难怪嵌入式系统成为当前最热门的技术之一。(以下我所说的嵌入式系统特指采用32位,64位微处理器的系统)

     嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机,数字产品相比,利用嵌入式技术的产品有其自己的特点:

1. 由于嵌入式系统采用的是微处理器,实现相对单一的功能,采用独立的操作系统,所以往往不需要大量的外围器件。因而在体积上,功耗上有其自身的优势。相比之下,一个使用Windows CE的PDA,仅靠机内电源就可以使用几天,而任何一台笔记本仅仅能够支持3小时左右。

2. 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物,是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足,嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。

3. 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。片上系统,板上系统的实现,使得以pda等为代表的这类产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式,比着传统的商务通等功能更加完善,实用。

4. 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求,面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求,嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持;由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求,新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口,同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式,如Web或无线Web编程模式,还需要相应的浏览器,如HTML、WML等。

5. 因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。

      虽然嵌入式系统这一名词在最近几年才成为流行。但早在80年代,国际上就有一些IT组织、公司,开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。从硬件方面讲,32,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心,它们的使用同样也是未来发展的一大趋势。 为了抢占这个无限广阔的市场,各大硬件厂商竞相推出产品,包括Intel,Motorola,Philip,AMD等等均不甘示弱,几乎每个月都有新产品出现。进入十一月以来,Microchip推出具有数字信号处理能力的微控制器(DSC),Atmel也推出针对消费市场的可编程系统芯片(PsoC)。市场之争日益激烈,同时也给嵌入式技术的发展带来了无限活力。

      从软件方面讲,目前的几大软件平分天下。VxWorks 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器,但是由于很多API是这个系统本身独有的,使得开发的兼容性受到较大影响。Os-9是主要为高科技产品设计的,提高了很好的安全和容错性,并且有很好的升级能力和灵活性。Palm Os,是Palm公司的操作系统,和微软的Windows CE是PDA操作系统的两大巨头。由于Windows CE的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制,以及微软公司强大的技术力量,虽然目前Palm还占有大部分的市场份额,但是有理由相信Win CE,必将成为PDA系统软件的一个霸主。由于国际PDA市场的快速增长,目前基于Palm和基于Win CE的应用软件有着大量的需求。这类软件由于系统功能的单一,所以软件功能也趋向专一化。而掌上设备的各种通讯,管理软件需求量极大。同时开发环境齐备,可以完全在PC机上进行,通过软件模拟调试,等到模拟通过再下载入机器,而且因为可以使用大量的pc机的API函数,SDK,所以开发过程是在已有的成熟技术基础上进行,相对简单,吸引了大量的软件开发人员进入这一领域。

     未来的几年内,随着信息化,智能化,网络化的发展,嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言,4~5年后嵌入式智能(电脑) 工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中,对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元,2000年达到13000亿美元,预计2005年,销售额将达18000亿美元。

     进入20世纪90年代,嵌入式技术全面展开,目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域,数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域,美国已开始由模拟电视向数字电视转变,欧洲的DVB(数字电视广播)技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播(DAB)也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中,都离不开嵌入式系统技术。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒,核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人商用,作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面,GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。

     目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案,如物流管理、条码扫描、移动信息采集等,这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域,不仅可以用于ATM机,自动售货机,工业控制等专用设备,和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合,嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的ADSL产品,结合网络,控制,信息,这种智能化,网络化将是家电发展的新趋势。由此可见,嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。

     嵌入式系统是研究的热点。促使我们投入到这个广阔的事业中去。在研究的同时,我门也可以发现由于嵌入式系统并不是突然出现的,对于微处理器应用的研究和硬件系统的研究已经有了一个很长时间的发展历史。所以无论是从硬件方面还是软件方面我们都很容易获得研发的资料。

     硬件方面,不仅有各大公司的微处理器芯片,还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究,已经相对比较成熟,实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。从软件方面讲,也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统,已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem,它不仅包括DeltaCore嵌入式实时操作系统,而且还包括LamdaTools交叉开发工具套件、测试工具、应用组件等;此外,中科院也推出了Hopen嵌入式操作系统(虽然还不够完善)。同时由于是研究热点,所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源,从各大厂商的开发文档,到各种驱动,程序源代码,甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发,无疑是个资源宝库。对于软件设计来说,不管是上手还是进一步开发,都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态,利于发挥大家的积极创造性。

     嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱。我们有理由相信,未来的电子技术就是嵌入式系统技术的天下。

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