縱談嵌入式技術的應用與發展

何宗鍵，同濟大學計算機系碩士。微軟公司Windows Embedded認證講師。現任同濟大學軟件學院講師，昭營科技有限公司技術顧問。在同濟大學軟件學院負責“微軟——同濟嵌入式Windows工程中心”的科研工作。擅長基于Windows CE的嵌入式操作系統，熟悉手機，PDA和車載行業應用。
　　 最近，記者就嵌入式操作系統、嵌入式技術及其應用專訪了何先生，得以領略嵌入式技術的應用現狀及發展趨勢。
記者：何先生擅長基于Windows CE的嵌入式操作系統的研究，請問相對于其它的嵌入式操作系統平臺，Windows CE有哪些優勢？在工業控制等實時性要求較高的應用中，Windows CE是否能夠勝任？
　　 何先生：Windows CE是微軟于1996年推出的嵌入式操作系統，發展到今天，已經有十多年的歷史了。微軟于2006年11月1日正式發布了Windows CE 6，在系統架構上較以前的版本有了很大的變化，這也預示了Windows CE迎來了新的未來。
　　 目前在使用的嵌入式操作系統非常多，它們各自有自己的特點和應用領域，目前Windows CE在消費類電子產品中已經得到了廣泛的應用。我覺得Windows CE的優勢主要在于如下幾點：
　　 (1) 易用開發和使用：Windows CE最大的優勢是它出于最大的軟件公司微軟之手，憑借微軟多年的軟件開發經驗，Windows CE無論對于開發人員還是對于最終用戶都十分友好。對于開發人員而言，Windows CE提供完整的IDE，幫助開發人員方便快速的完成操作系統裁減、應用開發調試、系統集成發布等功能。這些過程幾乎涵蓋了嵌入式軟件開發的整個流程，因此非常有利于快速開發，并縮短產品上市時間（Time to Market）。對于最終用戶而言，Windows CE的界面和很多應用程序都與大家熟悉的桌面Windows（9x系列，NT、2000、XP等）一脈相承。用戶可以方便的上手操作和使用。
　　 (2) 豐富的功能模塊：Windows CE是一個模塊化的操作系統，微軟提供了幾千個功能模塊供開發人員選擇。這些模塊涵蓋了很多實用的功能模塊，例如：無線網絡連接、多媒體解碼播放、Internet瀏覽器、中文輸入法等。可以說無論開發手持MP4視頻播放器還是開發機頂盒、手機或是信息終端，Windows CE都可以快速完成。此外，Windows CE的社區目前也比較完善，Internet上有第三方開發的許多基于Windows CE的應用。這些應用不但擴充了Windows CE的功能，也增加了Windows CE平臺的價值。
　　 (3) 與微軟其它產品的交互：Windows CE不是一個單獨的產品，它可以與許多常用的微軟的產品進行集成和交互。例如用戶依然可以用Word、Excel、PowerPoint辦公，依然可以用MSN Messenger聊天、用Outlook收發郵件……這給了用戶一個很好的使用體驗。
　　 對于實時性，Windows CE從3.0開始就已經支持硬實時了。Windows CE是一個實時操作系統，實時支持功能在以下幾方面提升了Windows CE的性能：(1) 支持嵌套中斷。(2) 允許更高優先級別的中斷首先得到響應，而不是等待低級別的ISR完成。(3) 更好的線程響應能力。
　　 (4) 對高級別IST（中斷服務線程）的響應時間上限的要求更加嚴格，在線程響應能力方面的改進幫助開發人員掌握線程轉換的具體時間，并通過增強的監控能力和對硬件的控制能力幫助開發人員創建更好嵌入式應用程序。
　　 (5) 更多的優先級別。256個優先級別可以使開發人員在控制嵌入式系統的時序安排方面有更大的靈活性。
　　 (6) 更強的控制能力。對系統內的線程數量的控制能力可以使開發人員更好地掌握調度程序的工作情況。
　　 因此，對于一般的實時性要求，Windows CE是可以勝任的，但是我認為操作系統本身并不能保證某個系統是實時的。換言之，實時系統需要軟件和硬件的協作支持。操作系統只是實時系統的一部分。操作系統可以幫助創建實時系統，然而，僅僅是Windows CE或者任何其它的RTOS本身，并不會自動的把一個系統變成實時系統。
記者：目前，嵌入式技術發展迅速，市場應用廣泛而分散；提供硬件的供應商眾多，但產品雷同，導致競爭激烈。在您看來，嵌入式硬件技術發展趨勢是什么？應怎樣開拓嵌入式應用？
　　 何先生：正如您所說，目前嵌入式產業涉及的領域非常廣泛，小到電子玩具，大到航天設備，每個領域都有各自的特點，要談嵌入式硬件的統一發展趨勢，實在是非常困難。我只談幾點自己接觸這個領域過程中的一些看法。
　　 首先，一體化和集成性。SoC的迅猛發展讓我們看到了芯片的未來趨勢。在一塊芯片上集成許多IP core，不僅可以使嵌入式硬件設計更加簡單快速，對于嵌入式軟件，尤其是驅動代碼的復用，也是非常有用的。例如，昭營科技在即將推出的新的自主知識產權CPU中，集成了幾乎所有的常用外設控制器，這將極大地方便嵌入式系統的研發。
　　 其次，低功耗。隨著嵌入式系統功能的增強，功耗問題也變得越來越重要。在消費類電子產品領域功耗問題尤為重要。手機領域是一個典型的例子，智能手機在極大地增強了手機功能的同時，充電越來越頻繁也是一個嚴重的詬病。功耗問題的產生一方面是由于硬件本身帶來的功耗，更重要的原因可能是嵌入式系統沒有完善的電源管理。今后，針對某些具體行業應用的電源管理模塊（包括軟硬件模塊），可能是嵌入式硬件領域的發展方向之一。
　　 第三，網絡化，智能化。Internet已經改變了人們的生活，我認為今后越來越多的嵌入式設備都會擁有互聯網接入能力。一方面，嵌入式設備通過互聯網接入可以提供更多的功能，另外一方面，嵌入式設備也可以通過互聯網與其它嵌入式設備交互和集成。網絡在改變人們生活的同時，也在促進著嵌入式領域的變革。
　　當然，針對不同的嵌入式領域，每個領域都自己的硬件發展趨勢，航天工控等領域要求硬件有更高的穩定性；而汽車電子領域的硬件發展趨勢可能是如何與整車集成。這些都是值得具體討論的。
記者：目前，嵌入式技術主要應用在哪些行業？這些行業分別有哪些特點？
　　 何先生：嵌入式技術近年來得到了飛速的發展，但是嵌入式產業涉及的領域非常廣泛，彼此之間的特點也相當明顯。可以找到有很多相關的統計數據，隨口就可以說出許多行業：手機、PDA、車載導航、工控、軍工、多媒體終端、網關、數字電視……在這里我不可能列舉所有行業，只列舉幾個近年來發展比較迅速、與大眾相關的產業介紹。
　　 手機領域：以手機為代表的移動設備可謂是近年來發展最為迅猛的嵌入式行業。甚至針對于手機軟件開發，還曾經衍生出“泛嵌入式開發”這樣的新詞匯。一方面，手機得到了大規模普及，另一方面，手機的功能得到了飛速發展，3、4年前的手機功能與價格與現在就不能同日而語。隨著國內3G時代的腳步日益臨近，可以預料到手機領域的軟硬件都必將面臨一場更大的變革。功耗、功能、帶寬、價格等都是手機硬件領域的熱門詞匯。從軟件技術角度來看，我認為手機的軟件操作系統平臺會趨于標準化和統一化。手機的應用會愈加豐富，除了最基本的通話功能外，逐漸會包括目前PDA、數碼相機、游戲機等功能，更加趨向于成為個人手持終端。
　　 汽車電子領域：隨著汽車產業的飛速發展，汽車電子近年來也有了較快的發展。但是不得不承認，目前國內的嵌入式車載領域的發展與國際相比差距還是比較大的。電子導航系統在汽車電子中占據的比重比較大，目前導航系統在國外已經有了廣泛的應用。在國內近年來也已經開始起步，可以預料未來幾年內會有比較快速的發展。汽車電子領域的另外一個發展趨勢是與汽車本身機械結合，從而可以實現故障診斷定位等功能。
　　 消費類電子產品：消費類電子產品的銷量早就超過了PC若干倍。并且還在以每年10%左右的速度增長。消費類電子產品主要包括便攜音頻視頻播放器、數碼相機、掌上游戲機等。目前，消費類電子產品已形成一定的規模，并且已經相對成熟。對于消費類電子產品，真正體現嵌入式特點的是在系統設計上經常要考慮性價比的折衷，如何設計出讓消費者覺得劃算的產品是比較重要的。
　　 軍工航天：對于大多數開發者和用戶而言，這可能都是比較神秘的一個領域。的確，大多數人一生都沒有機會給F117戰機編寫控制程序。的確，軍工和航天領域是不為大眾所知的領域，在這個領域里面，無論是硬件還是操作系統、編譯器，通常并不是市場上可以見到的通用設備，它們大多數都是專用的。但是并不代表這個領域落后，許多最先進的技術最前沿的成果，往往都會用在這個領域。
記者：在工業控制市場，嵌入式產品因其靈活的定制性、較低的成本，成為工業裝備制造市場的選擇之一，但二次開發、工業耐受性不足制約了其廣泛應用，您如何看待嵌入式技術在工業中的應用？
　　 何先生：對于工業控制領域，我本人以前參加過數控機床和流水線控制軟件的研發，對整個工控行業算不上專家，在這里僅談我個人的看法，談得不妥還有望有關專家、同行批評指正、相互交流。
　　 工業控制是使用新興電子技術來改造傳統產業的典型代表。它涵蓋的范圍也比較廣：紡織、包裝、印刷、機床等等。對于工控領域的硬件設計開發，有在特殊的環境下可靠工作的挑戰，也有實時性、穩定性等要求。對于軟件而言，不僅是工控領域，在許多嵌入式領域二次開發都是一個棘手的問題。我覺得一個可行的解決方案是建立與行業應用相關的可重用構件庫。例如針對數控機床領域，可以初步建立一些數控機床通用的構件，例如儀表盤等等，先在數控機床行業達到重用。第二步，逐步提取跨行業通用的構件庫，進一步提高嵌入式軟件的復用性。當然，這不是一日之功，需要嵌入式軟件工程師的共同努力。
記者：昭營科技致力于中央處理器設計、單芯片系統設計、嵌入式主板/系統設計及生產，作為昭營科技的技術顧問，您認為，昭營科技在嵌入式技術和市場方面有哪些競爭優勢？
　　 何先生：我認為昭營科技最大的技術優勢是具有自主知識產權的CPU。昭營科技對于自主X86 CPU研發投入了巨大的精力，現在已經形成了比較完善的產品線。其主打產品Votex86系列CPU有尺寸小、功耗低、發熱低和寬溫工作等優點，已經得到了全球市場的認可。即將面市的CPU更是關注穩定性和集成性，必將給用戶帶來更大的方便。
　　 此外，昭營科技與微軟有良好的合作關系，昭營科技在2005年被評為微軟嵌入式最佳硬件合作伙伴，其EBox產品連續多年被微軟的Windows Student ChallengE競賽作為指定硬件平臺。昭營科技對微軟的嵌入式產品也有良好的支持能力。無論Windows CE還是indows XP Embedded，昭營科技都有產品支持。在微軟推出Windows CE 6之際，昭營科技也同步發布了Windows CE 6的BSP支持。這些優勢也是昭營科技獨有的。
記者：在您與昭營科技等企業合作中，有哪些Windows CE相關的推廣工作？目前進展如何？
　　 何先生：作為中國高校的一名教員，很高興可以與企業有深層次的合作。我最早是在04年與昭營科技開始接觸。經過幾年的發展，無論在產業還是學術方面，都有了較深層次的合作，主要有如下幾個方面：
　　 共建聯合實驗室：昭營科技與同濟大學于2005年掛牌成立了“ICOP-同濟嵌入式Windows工程中心”。昭營科技向同濟大學無償捐贈了30臺EBox實驗平臺。這個實驗室是中國高校中為數不多的關注嵌入式Windows技術的實驗室。實驗室的活動主要關注教學和科研兩部分內容。教學方面，同濟大學每年會有100位左右的嵌入式方向本科和碩士生，由我主講的《嵌入式軟件開發導論》課程已經被評選為了“教育部——微軟精品課程”，該實驗室可以為嵌入式方向的學生提供實驗和動手的場所。科研方面，微軟、ICOP和同濟已經開始聯手研發國內第一款項目和場景導向的嵌入式教學實驗平臺，預計可以在明年研發完成。此外，在車載系統方面，昭營科技與同濟也有一些合作。
　　共同舉行嵌入式教學推廣活動：我們認為，目前嵌入式領域人才匱乏的主要原因是教育與培訓跟不上。因此，昭營科技與同濟一起進行了許多Windows CE相關的培訓和推廣活動。我們每兩個月會舉辦面對社會的免費Windows CE培訓。也會舉辦針對企業的以微軟標準嵌入式培訓課程為內容的付費培訓。我們還有一些針對學術界的推廣，前不久，由微軟公司、昭營科技和同濟大學共同舉辦的第二屆Windows Embedded教學研討會在同濟大學順利召開，會議的主題是在高校中推廣Windows Embedded教學，來自全國各地的近百位高校教師參加了此次培訓。昭營科技花大力從美國微軟邀請了著名專家參加此次研討會，取得了非常好的效果。
　　 校企之間的其它合作：昭營科技與同濟之間還有一些其它合作，例如昭營科技會派資深工程師到高校進行技術講座；高校教師也可以到企業擔任咨詢和客座職位。
　　 未來，雙方打算在產品研發、新技術推廣等方面有更廣闊的合作。
　　 記者：嵌入式技術日趨成熟，應用日益廣泛，您如何看待嵌入式技術和應用在我國的發展？未來，將呈現哪些發展趨勢？
　　 何先生：毋庸置疑，近幾年來嵌入式領域技術在國內得到了飛速的發展。據資料統計，2002年，我國嵌入式軟件市場銷售額為118.56億元，占到了同年我國軟件總產值1100億元的10%，而今天已經占到了軟件產業的一半以上，按2003年我國軟件市場實現銷售額399.6億元計算，約為13.6億元。盡管如此，相比國際市場，其市場仍有待開發。全球嵌入式軟件市場在2002年時就超過了317億美元。隨著國內信息家電、手機、汽車電子等行業需求的加劇，嵌入式軟件將扮演著越來越重要的角色。
　　 傳統的IT設備應該逐漸轉變為嵌入設備，這是一個大趨勢。在這個大趨勢中，軟件的地位越來越重要。因此，嵌入式軟件在提升IT制造業的競爭力、優化產業結構的過程中起到了非常重要的作用，發展嵌入式軟件勢在必行。
　　最后，因為嵌入式軟件的特點而決定，嵌入式是以應用為前提的，沒有壟斷的可能。誰掌握了應用，誰就能做得更好。因此，嵌入式軟件產業對我國軟件產業也是一個難得的機會。