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嵌入式系統的應用及發(fā)展
【摘要】21世紀無(wú)疑將是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)代，將嵌入式系統應用到各種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中去的呼聲自然也越來(lái)越高。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，隨著(zhù)Internet的進(jìn)一步發(fā)展，以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結合日益緊密，嵌入式設備與Internet的結合才是嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。
【關(guān)鍵詞】嵌入式;應用;發(fā)展
1?嵌入式ARM技術(shù)及應用
隨著(zhù)嵌入式系統處理器的不斷發(fā)展，典型的32位RISC芯片——ARM處理器，不論是在PDA，STB，DVD等消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，還是在GPS，航空，勘探，測量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應用。越來(lái)越多的芯片廠(chǎng)商早已看好ARM的前景，比如Intel, NS, Atmel, Philips, NEC, CirrusLogic等公司都有相應的產(chǎn)品。他們把更多的功能集成在A(yíng)RM芯片中，使其成為了高集成度，低功耗的典型代表。
ARM將其技術(shù)授權給世界上許多著(zhù)名的半導體、軟件和OEM廠(chǎng)商，每個(gè)廠(chǎng)商得到的都是一套獨一無(wú)二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標準的締造者。
ARM架構是面向低預算市場(chǎng)設計的第一款RISC微處理器。
ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行（理論上如此）。典型的產(chǎn)品如下。
①CPU內核
——ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內核，用于移動(dòng)通信。
——ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權用戶(hù)最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起，以減少內存容量和系統成本。同時(shí)，它還利用嵌入式ICE調試技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化系統設計，并用一個(gè)DSP增強擴展來(lái)改進(jìn)性能。該產(chǎn)品的典型用途是數字蜂窩電話(huà)和硬盤(pán)驅動(dòng)器。
——ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內核，同時(shí)配備Thumb擴展、調試和Harvard總線(xiàn)。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。
②體系擴展
——Thumb:以16位系統的成本，提供32位RISC性能，特別注意的是它所需的內存容量非常小。
③嵌入式ICE調試
由于集成了類(lèi)似于ICE的CPU內核調試技術(shù)，所以原型設計和系統芯片的調試得到了極大的簡(jiǎn)化。
④微處理器
——ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價(jià)、低能耗、封裝式常規系統微型處理器，配有高速緩存（Cache）、內存管理、寫(xiě)緩沖和JTAG。廣泛應用于手持式計算、數據通信和消費類(lèi)多媒體。
——ARM940T、920T系列:低價(jià)、低能耗、高性能系統微處理器，配有Cache、內存管理和寫(xiě)緩沖。應用于高級引擎管理、保安系統、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。
——StrongARM:性能很高、同時(shí)滿(mǎn)足常規應用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來(lái)授權給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。
——ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機，基于一個(gè)緩存式ARM7 32位內核，擁有內存和I/O控制器、3個(gè)DMA通道、片上視頻控制器和調色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個(gè)浮點(diǎn)運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò )計算機（NC）。
2?嵌入式系統的特點(diǎn)
嵌入式計算機系統同通用型計算機系統相比具有以下特點(diǎn)：
2?1嵌入式系統通常是面向特定應用的。嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶(hù)群設計的系統中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強，跟網(wǎng)絡(luò )的耦合也越來(lái)越緊密。
2?2嵌入式系統是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應用相結合后的產(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 )新的知識集成系統。
2?3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(shí)現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力。
2?4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(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(cháng)的生命周期。
2?5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(pán)等載體中。
2?6嵌入式系統本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，即使設計完成以后用戶(hù)通常也是不能對其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
3?嵌入式的系統與分類(lèi)
根據不同的分類(lèi)標準嵌入式系統有不同的分類(lèi)方法，這里根據嵌入式系統的復雜程度，可以將嵌入式系統分為以下四類(lèi)：
3?1單個(gè)微處理器這類(lèi)系統可以在小型設備中（如溫度傳感器、煙霧和氣體探測器及斷路器）找到。這類(lèi)設備是供應商根據設備的用途來(lái)設計的。這類(lèi)設備受Y2K影響的可能性不大。
3?2不帶計時(shí)功能的微處理器裝置。這類(lèi)系統可在過(guò)程控制、信號放大器、位置傳感器及閥門(mén)傳動(dòng)器等中找到。這類(lèi)設備也不太可能受到Y2K的影響。但是，如果它依賴(lài)于一個(gè)內部操作時(shí)鐘，那么這個(gè)時(shí)鐘可能受Y2K問(wèn)題的影響。
3?3帶計時(shí)功能的組件。這類(lèi)系統可見(jiàn)于開(kāi)關(guān)裝置、控制器、電話(huà)交換機、電梯、數據采集系統、醫藥監視系統、診斷及實(shí)時(shí)控制系統等。它們是一個(gè)大系統的局部組件，由它們的傳感器收集數據并傳遞給該系統。這種組體可同PC機一起操作，并可包括某種數據庫(如事件數據庫)。
3?4在制造或過(guò)程控制中使用的計算機系統。對于這類(lèi)系統，計算機與儀器、機械及設備相連來(lái)控制這些裝置的工作。這類(lèi)系統包括自動(dòng)倉儲系統和自動(dòng)發(fā)貨系統。在這些系統中，計算機用于總體控制和監視，而不是對單個(gè)設備直接控制。過(guò)程控制系統可與業(yè)務(wù)系統連接（如根據銷(xiāo)售額和庫存量來(lái)決定定單或產(chǎn)品量）。
4?嵌入式系統發(fā)展趨勢
以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現了美好前景，注入了新的生命；同時(shí)也對嵌入式系統技術(shù)，特別是軟件技術(shù)提出新的挑戰。這主要包括：支持日趨增長(cháng)的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接、輕便的移動(dòng)應用和多媒體的信息處理，此外，當然還需對付更加激烈的市場(chǎng)競爭。
4?1嵌入式應用軟件的開(kāi)發(fā)需要強大的開(kāi)發(fā)工具和操作系統的支持隨著(zhù)因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網(wǎng)上提供的信息內容日趨豐富、應用項目多種多樣，像電話(huà)手機、電話(huà)座機及電冰箱、微波爐等嵌入式電子設備的功能不再單一，電氣結構也更為復雜。為了滿(mǎn)足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力；同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復雜性，簡(jiǎn)化應用程序設計、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。
目前，國外商品化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，已進(jìn)入我國市場(chǎng)的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產(chǎn)品。我國自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統軟件產(chǎn)品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺DeltaSystem,它不僅包括DeltaCore嵌入式實(shí)時(shí)操作系統,而且還包括LamdaTools交叉開(kāi)發(fā)工具套件、測試工具、應用組件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系統。
4?2聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢。為適應嵌入式分布處理結構和應用上網(wǎng)需求，面向21世紀的嵌入式系統要求配備標準的一種或多種網(wǎng)絡(luò )通信接口。針對外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設備必需配有通信接口,相應需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)(如防盜報警、燈光能源控制、影視設備和信息終端交換信息)及實(shí)驗現場(chǎng)儀器的協(xié)調工作等要求，新一代嵌入式設備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時(shí)也需要提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動(dòng)軟件。為了支持應用軟件的特定編程模式，如Web或無(wú)線(xiàn)Web編程模式，還需要相應的瀏覽器，如HTML、WML等。
4?3支持小型電子設備實(shí)現小尺寸、微功耗和低成本。為滿(mǎn)足這種特性，要求嵌入式產(chǎn)品設計者相應降低處理器的性能，限制內存容量和復用接口芯片。這就相應提高了對嵌入式軟件設計技術(shù)要求。如，選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富經(jīng)驗，更需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web和WAP等。
4?4提供精巧的多媒體人機界面。嵌入式設備之所以為億萬(wàn)用戶(hù)樂(lè )于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機交互界面，如司機操縱高度自動(dòng)化的汽車(chē)主要還是通過(guò)習慣的方向盤(pán)、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫(xiě)文字輸入、語(yǔ)音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但離掌式語(yǔ)言同聲翻譯還有很大距離。參考文獻
〔1〕姚放吾.嵌入式系統的硬件/軟件協(xié)同設計.微計算機信息.2001,3：1-3.
〔2〕王田苗主編.嵌入式系統設計與實(shí)例開(kāi)發(fā).清華大學(xué)出版社,2005,1
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