嵌入式系统的应用与开发分析

郑 巧

（西南石油大学 计算机科学学院，成都 610500）

1 嵌入式系统概述

1.1 概念

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统，所用的计算机称为嵌入式计算机。这类系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四个部分组成，实现对其它设备的控制、监视、管理等功能。在结构上，随应用的变化，可用箱体、单板、单片或分布式结点等形式嵌埋于应用设备或系统中。

1.2 特点

与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点：

1）专用的嵌入式CPU

嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在；芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的结合也越来越紧密。

2）专用性和算法的唯一性

它总是被设计成为完成某一特定任务的系统，一旦设计完成就不再改变。嵌入式系统和具体应用食机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一只进入市场，具有较长的生命周期。

3）多种技术的结合体

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

4）系统对用户是透明的

用户在使用这种设备时只是按照预定的方式使用它，既不需要用户进行编程，也不需要用户知道设备内计算机系统的设计细节，用户也不能改变它。

5）嵌入式计算机系统大多数是实时控制系统

例如工业仪器、控制装置、数控系统、信息家电、军用设备和控制系统等

6）系统配量专一，结构紧凑，坚固可靠

一般说来计算机资源(存储容量和速度)有限，这是由专用性、嵌入式(空间约束)以及适用环境所决定的。

2 嵌入式操作系统的应用

2.1 应用现状

嵌入式操作系统的引入解决了嵌入式软件开发标难化的难题。它为解决嵌入式系统中软件的比重逐渐增加、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理等问题提供了一种新的解决方案。基于嵌入式操作系统平台上开发出的程序，具有较高的可移植性。嵌入式软件的函数化和产品化能够促进行业交流，减少重复劳动，提高知识创新的效率。

嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以习惯性的电子技术应用模式，从事单片•机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机丁程设计方法。

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但由于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。

2.2 应用领域

嵌入式系统将会在以下领域内得到蓬勃发展：

1）3G应用

目前，消费电子产品的网络功能与传统的工业控制嵌入式系统一样，成为嵌入式系统的两大市场，3G无疑将为嵌入式系统在消费电子领域提供更多商机。

2）传感器网络样

传感器网综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详细而准确的信息，传送给需要这些信息的用户。

3）智能家电

在传统家电企业和IT企业两大阵营的共同推动下，智能家电的研发开始出现新的高潮。

4）机器人

机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能、自动控制、无线通信等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。

5）网络安全

21世纪全世界的计算机都将通过因特网联到一起，信息安全的内涵也就发生了根本的变化。嵌入式网络安全设备，提供了很好的解决方法。

6）身份识别技术

如何难确鉴定一个人的身份，保护信息安全是当今信息化时代必须解决的一个关键社会问题。采用嵌入式技术和身份识别技术开发的各种身份识别产品，在实现国家稳定发展、信息安全共享中，发挥着重要的作用。

7）工业安全

尽管技术的发展日新月异，工业生产自动化的程度越来越高，可是工业安全一直是人们关注的问题。采用嵌入式技术的煤炭瓦斯监控系统成为煤炭行业安全生产的重要保证。

3 在现实生活中的应用开发

即使是不可见的，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统也出现在许多产业中，包括工业自动化、国防、运输和航空航天领域。例如，NASA的火星探路者(Mars Path Finder)、洛克西德•马丁(Lockheed Martin)的导弹制导系统和福特的汽车中都包含了大量的嵌入式系统。

在日常生活中，世界各地的人们使用嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，嵌入式系统的不可见性是非常独特的：使用者从中获得利益，而没必要理解该项技术的错综复杂性。

嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得家庭、工作场所甚至是健身设备中，到处都有嵌入式系统。的确，从某种程度上很难找到日常生活中的某个部分没有包含嵌入式系统。下面的几小节提供了更明显的嵌入式实例。

3.1 家庭环境中的嵌入式系统

隐藏在大量家用电器中的嵌入式系统充满了整个家庭。消费者尽情享受这些嵌入式技术提供的先进特性和效益。

家庭中的嵌入式系统有多种形式，包括安全系统、电视的有线或卫星接收盒、家庭影院系统和电话自动应答机。由于微处理器中的先进性可以改进普通产品的功能，所以嵌入式系统推动了更多的家庭背景的产品的开发。

3.2 工作环境中的嵌入式系统

嵌入式系统也改变着人们从事的职业。也许员明显的例于是因特网(Internet)，它实际上恰恰是用各种网络技术相互连接起来的大量嵌入式系统的集合。

从各种独立的端点(如打印机、有线调制解调器和企业网络路由器)到骨干千兆交换机，嵌入式技术使Internet适用于任意的商业模式。网络路由器和骨干千兆交换机是实时嵌入式的例子。尽管网络中存在巨量的声音和拥挤的数据，但实时嵌入式技术的先进性仍使Internet的互联更可靠，响应更快速。

3.3 娱乐活动中的嵌入式系统

在家庭、工作场所，甚至是娱乐场所，嵌入式系统非常兴旺发达。装备有车内导航系统的汽车可以安全、便捷地将人们送达目的地。人们可以在任何时候、任何地方自由自在地听自己喜欢的音乐。这要归功于嵌入式系统掩盖了的便携式音乐播放机的复杂性。

嵌入式系统与其他技术的结合给传统的低技术世界带来了效益。例如，GPS技术用卫星指出的位置精度在厘米级。这样一来，骑自行车周游者、户外运动者可以使用GPS装置欣赏广阔的空间，而不怕迷路；渔翁也可以使用GPS装置存储他们喜欢的钓鱼洞的位置。

嵌入式系统使传统的无线电控制的飞机、跑车和赛艇达到新的高度和速度。由于复杂的嵌入式系统是隐蔽的，这些装置从操纵杆获得命令，井通过无线电传送到装置的接收器上，使飞机、赛车、赛艇按要求的速度和复杂的方式运行。实际上，嵌入式技术的引入使这些技术更安全，更具娱乐性，消除了信号干扰经常引起的恐惧。

4 结论

随着电子技术的发展，各种各样的微处理器相继涌现，而性价比却越来越高，这为嵌入式系统的发展提供了良好的前提条件。另一方面，随着技术的进步和生活质量的不断提高，人们对嵌入式产品的质量要求也越来越高，从而将迎来嵌入式系统面向系统化、网络化、智能化、普适化、低成本、低功耗、高性能、高可用等技术的发展。

4.1 低成本与低功耗技术

随着人们对节省能源、设备小型化等问题的重视，要求嵌人式硬件系统实现高可靠性、低成本、低功耗的设计，包括微功耗材料／元器件的选择及其IC设计、电源管理、模块化设计与可复用性、系统的综合布局。

4.2 软硬件协同设计与优化

嵌入式系统开发对相应的嵌入式软件设计技术也提出了很高的要求，需要选用最佳的编程模型和不断地改进算法。如采用Java编程模式，提高跨平台支持；优化编译器性能，精简程序代码和提高代码的执行效率。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术。

4.3 多媒体与人机交互技术

随着多媒体技术的发展，视频、音频信息的处理水平越来越高，为嵌入式系统的多媒体化创造了良好的条件，嵌入式系统的多媒体化将变成现实。同时，嵌入式系统需要提供多媒体化的人机交互，更加方便用户使用。

4.4 嵌入式互联技术

随着计算技术由集中式计算、桌面计算、分布式计算向普适计算模式的演进，支持网络接入的嵌入式系统(如信息家电、智能导航、远程控制)会占主导地位。应该选用或设计开发什么样的网络协议，才能将这样的嵌入式系统／设备融人到网络之中，一方面是要实现信息互通，更关键的是让嵌入式系统享用丰富的网络应用服务。

[1] 刘红.嵌入式系统技术发展趋势浅析[J].中国建设教育,2006,(10) .

[2] 韦照川,李德明.嵌入式系统发展概述[J].科技信息,2010,(01) .

[3] 王金宇.嵌入式系统及其发展趋势研究[J].电脑知识与技术,2010,(05) .

[4] 严永松.嵌入式系统开发要素浅析[J].电脑知识与技术,2010,(01) .

[5] 符秋丽.嵌入式系统概述[J].科技创新导报,2010,(08) .

[6] 喻亮.嵌入式系统的结构特征与研究概况[J].企业科技与发展,2010,(08) .