嵌入式系統(tǒng)綜述

1 計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類
以往我們按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、適用領(lǐng)域，將其分為大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計(jì)算機(jī)，并以此來組織學(xué)科和產(chǎn)業(yè)分工，這種分類沿襲了約40年。近10年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)際情況產(chǎn)生了根本性的變化，例如70年代末定義的微計(jì)算機(jī)演變出來的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，如今已經(jīng)占據(jù)了全球計(jì)算機(jī)工業(yè)的90 市場(chǎng)，其處理速度也超過了當(dāng)年大、中型計(jì)算機(jī)的定義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)其它行業(yè)的廣泛滲透，以應(yīng)用為中心的分類方法變得更為切合實(shí)際，也就是按計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。
通用計(jì)算機(jī)具有計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以類同面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面，其典型產(chǎn)品為PC；而嵌入式計(jì)算機(jī)則是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。
2 嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)
嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)，一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10個(gè)嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。
今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，1997年來自美國(guó)嵌入式系統(tǒng)大會(huì)(Embedded System Conference)的報(bào)告指出，未來5年僅基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國(guó)產(chǎn)生一個(gè)每年1500億美元的新市場(chǎng)。
美國(guó)汽車大王福特公司的高級(jí)經(jīng)理也曾宣稱，“福特出售的‘計(jì)算能力’已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計(jì)算機(jī)工業(yè)的規(guī)模和廣度。1998年11月在美國(guó)加州圣*何塞舉行的嵌入式系統(tǒng)大會(huì)上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個(gè)技術(shù)新熱點(diǎn)。
美國(guó)著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝99年1月訪華時(shí)預(yù)言，4～5年后嵌入式智能(電腦)工具將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。我國(guó)著名嵌入式系統(tǒng)專家沈緒榜院士98年11月在武漢全國(guó)第11次微機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)上發(fā)表的《計(jì)算機(jī)的發(fā)展與技術(shù)》一文中，對(duì)未來10年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的闡述和展望。
文中，對(duì)未來10年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的闡述和展望。
3 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求
(Embedded System Industry, ESI)
3.1 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)
從某種意義上來說，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是壟斷的。占整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)90 的PC產(chǎn)業(yè)，80 采用Intel的8x86體系結(jié)構(gòu)，芯片基本上出自Intel，AMD，Cyrix等幾家公司。在幾乎每臺(tái)計(jì)算機(jī)必備的操作系統(tǒng)和文字處理器方面，Microsoft的Windows及Word占80-90 ，憑借操作系統(tǒng)還可以搭配其它應(yīng)用程序。因此當(dāng)代的通用計(jì)算機(jī)工業(yè)的基礎(chǔ)被認(rèn)為是由Wintel(Microsoft和Intel 90年代初建立的聯(lián)盟)壟斷的工業(yè)。
嵌入式系統(tǒng)則不同，它是一個(gè)分散的工業(yè)，充滿了競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場(chǎng)。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能有少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場(chǎng)。
因此嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)的中小規(guī)模高技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會(huì)上的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動(dòng)嵌入式工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。
嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)
3.2 嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征
嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。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(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。
和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用對(duì)處理器的選擇面前更具有競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式處理器要針對(duì)用戶的具體需求，對(duì)芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能；但同時(shí)還受用戶訂貨量的制約。
因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的，可能是一般用戶，行業(yè)用戶或單一用戶。
嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)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(chǔ)器中，而不是以磁盤為載體，可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長(zhǎng)。另外，各個(gè)行業(yè)所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長(zhǎng)。另外，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品，和通用計(jì)算機(jī)軟件不同，很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。
嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個(gè)體系一般要存在8-10年的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式
應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易地放棄一種處理器。
3.3 嵌入式系統(tǒng)軟件的特征
嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對(duì)嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同。
(1) 軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)
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(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。
(2) 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性
盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼長(zhǎng)度、提高執(zhí)行速度。
(3) 系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求
在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)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(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。
(4) 多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成的平臺(tái)和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)
3.4 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境
通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面，在上面增加一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對(duì)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(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。
3.5 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺(tái)
通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、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RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。
3.6 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主
通用計(jì)算機(jī)的開發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專業(yè)知識(shí)，其開發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家。因此開發(fā)工具的易學(xué)、易用、可靠、高效是基本要求。
結(jié) 語
中國(guó)的單片機(jī)應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)走過了15年的歷程，有超過10萬名從事單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的工程師，但95 以上是3~5個(gè)人的小組以孤軍奮戰(zhàn)的封閉方式開發(fā)幾乎不可重用的軟件。今天面對(duì)的是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流，如果我們不能認(rèn)清嵌入式軟件必須以工業(yè)化的方式生產(chǎn)開發(fā)，不理解在短時(shí)間內(nèi)裝配集成“數(shù)百人年”嵌入式產(chǎn)品軟件庫固化于芯片之中的方法，那么我們將失去更多“上游”產(chǎn)品的市場(chǎng)機(jī)遇；反之在我國(guó)大力推動(dòng)和建設(shè)“嵌入式軟件工廠”，使我國(guó)<