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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 電磁閥

嵌入式系統綜述

發布日期：2022-04-27 點擊率：136

    1 計算機工業的分類
    以往我們按照計算機的體系結構、運算速度、結構規模、適用領域，將其分為大型計算機、中型機、小型機和微計算機，并以此來組織學科和產業分工，這種分類沿襲了約40年。近10年來隨著計算機技術的迅速發展，實際情況產生了根本性的變化，例如70年代末定義的微計算機演變出來的個人計算機(PC)，如今已經占據了全球計算機工業的90 市場，其處理速度也超過了當年大、中型計算機的定義。隨著計算機技術和產品對其它行業的廣泛滲透，以應用為中心的分類方法變得更為切合實際，也就是按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為嵌入式計算機和通用計算機。
    通用計算機具有計算機的標準形態，通過裝配不同的應用軟件，以類同面目出現并應用在社會的各個方面，其典型產品為PC；而嵌入式計算機則是以嵌入式系統的形式隱藏在各種裝置、產品和系統中。
    2 嵌入式系統(Embedded Systems)
    嵌入式系統被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。
    嵌入式計算機在應用數量上遠遠超過了各種通用計算機，一臺通用計算機的外部設備中就包含了5-10個嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標、軟驅、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網卡、聲卡、打印機、掃描儀、數字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。
    嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。
    今天嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統大會(Embedded System Conference)的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統的全數字電視產品，就將在美國產生一個每年1500億美元的新市場。
    美國汽車大王福特公司的高級經理也曾宣稱，“福特出售的‘計算能力’已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算機工業的規模和廣度。1998年11月在美國加州圣*何塞舉行的嵌入式系統大會上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個技術新熱點。
    美國著名未來學家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預言，4～5年后嵌入式智能(電腦)工具將是PC和因特網之后最偉大的發明。我國著名嵌入式系統專家沈緒榜院士98年11月在武漢全國第11次微機學術交流會上發表的《計算機的發展與技術》一文中，對未來10年以嵌入式芯片為基礎的計算機工業進行了科學的闡述和展望。
    文中，對未來10年以嵌入式芯片為基礎的計算機工業進行了科學的闡述和展望。
    3 嵌入式系統工業的特點和要求
    (Embedded System Industry, ESI)
    3.1 嵌入式系統工業是不可壟斷的高度分散的工業
    從某種意義上來說，通用計算機行業的技術是壟斷的。占整個計算機行業90 的PC產業，80 采用Intel的8x86體系結構，芯片基本上出自Intel，AMD，Cyrix等幾家公司。在幾乎每臺計算機必備的操作系統和文字處理器方面，Microsoft的Windows及Word占80-90 ，憑借操作系統還可以搭配其它應用程序。因此當代的通用計算機工業的基礎被認為是由Wintel(Microsoft和Intel 90年代初建立的聯盟)壟斷的工業。
    嵌入式系統則不同，它是一個分散的工業，充滿了競爭、機遇與創新，沒有哪一個系列的處理器和操作系統能夠壟斷全部市場。即便在體系結構上存在著主流，但各不相同的應用領域決定了不可能有少數公司、少數產品壟斷全部市場。
    因此嵌入式系統領域的產品和技術，必然是高度分散的，留給各個行業的中小規模高技術公司的創新余地很大。另外，社會上的各個應用領域是在不斷向前發展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發展，這也構成了推動嵌入式工業發展的強大動力。
    嵌入式系統工業的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發
    3.2 嵌入式系統具有的產品特征
    嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，如果獨立于應用自行發展，則會失去市場。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用要求的制約，這些也是各個半導體廠商之間競爭的熱點。
    和通用計算機不同，嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在具體應用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求，對芯片配置進行裁剪和添加才能達到理想的性能；但同時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，行業用戶或單一用戶。
    嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。嵌入式系統中的軟件，一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體，可以隨意更換，所以嵌入式系統的應用軟件生命周期也和嵌入式產品一樣長。另外，各個行業所以嵌入式系統的應用軟件生命周期也和嵌入式產品一樣長。另外，各個行業的應用系統和產品，和通用計算機軟件不同，很少發生突然性的跳躍，嵌入式系統中的軟件也因此更強調可繼承性和技術銜接性，發展比較穩定。
   嵌入式處理器的發展也體現出穩定性，一個體系一般要存在8-10年的時間。一個體系結構及其相關的片上外設、開發工具、庫函數、嵌入式
應用產品是一套復雜的知識系統，用戶和半導體廠商都不會輕易地放棄一種處理器。
    3.3 嵌入式系統軟件的特征
    嵌入式處理器的應用軟件是實現嵌入式系統功能的關鍵，對嵌入式處理器系統軟件和應用軟件的要求也和通用計算機有所不同。
    (1) 軟件要求固態化存儲
    為了提高執行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。
    (2) 軟件代碼高質量、高可靠性
    盡管半導體技術的發展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執行速度。
    (3) 系統軟件(OS)的高實時性是基本要求
    在多任務嵌入式系統中，對重要性各不相同的任務進行統籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執行的關鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務調度只能由優化編寫的系統軟件來完成，因此系統軟件的高實時性是基本要求。
    (4) 多任務操作系統是知識集成的平臺和走向工業標準化道路的基礎
    3.4 嵌入式系統開發需要開發工具和環境
    通用計算機具有完善的人機接口界面，在上面增加一些開發應用程序和環境即可進行對自身的開發。而嵌入式系統本身不具備自舉開發能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發工具和環境才能進行開發，這些工具和環境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。
    3.5 嵌入式系統軟件需要RTOS開發平臺
    通用計算機具有完善的操作系統和應用程序接口(API)，是計算機基本組成不可分離的一部分，應用程序的開發以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一分離的一部分，應用程序的開發以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統則不同，應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。
    3.6 嵌入式系統開發人員以應用專家為主
    通用計算機的開發人員一般是計算機科學或計算機工程方面的專業人士，而嵌入式系統則是要和各個不同行業的應用相結合的，要求更多的計算機以外的專業知識，其開發人員往往是各個應用領域的專家。因此開發工具的易學、易用、可靠、高效是基本要求。
    結語
    中國的單片機應用和嵌入式系統開發走過了15年的歷程，有超過10萬名從事單片機開發應用的工程師，但95 以上是3~5個人的小組以孤軍奮戰的封閉方式開發幾乎不可重用的軟件。今天面對的是嵌入式系統工業化的潮流，如果我們不能認清嵌入式軟件必須以工業化的方式生產開發，不理解在短時間內裝配集成“數百人年”嵌入式產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”產品的市場機遇；反之在我國大力推動和建設“嵌入式軟件工廠”，使我國<

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