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      嵌入式方案

      嵌入式系統(Embedded system),是一種“完全嵌入受控器件內部,為特定應用而設計的專用計算機系統”,根據英國電氣工程師協會( U.K. Institution of Electrical Engineer)的定義,嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。與個人計算機這樣的通用計算機系統不同,嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統只針對一項特殊的任務,設計人員能夠對它進行優化,減小尺寸降低成本。嵌入式系統通常進行大量生產,所以單個的成本節約,能夠隨著產量進行成百上千的放大。

      嵌入式系統是用來控制或者監視機器、裝置、工廠等大規模設備的系統。國內普遍認同的嵌入式系統定義為:以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。通常,嵌入式系統是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上,所有帶有數字接口的設備,如手表、微波爐、錄像機、汽車等,都使用嵌入式系統,有些嵌入式系統還包含操作系統,但大多數嵌入式系統都是由單個程序實現整個控制邏輯。

      嵌入式系統的核心是由一個或幾個預先編程好以用來執行少數幾項任務的微處理器或者單片機組成。與通用計算機能夠運行用戶選擇的軟件不同,嵌入式系統上的軟件通常是暫時不變的;所以經常稱為“固件”。

      特點

      嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的,它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義,即嵌入式系統是與應用緊密結合的,它具有很強的專用性,必須結合實際系統需求進行合理的裁減利用。

      ◆ 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。所以,介入嵌入式系統行業,必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領域占有70%以上的市場,就是因為其立足于個人電子消費品,著重發展圖形界面和多任務管理;而風河的Vxworks之所以在火星車上得以應用,則是因為其高實時性和高可靠性。

      ◆ 嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪,滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以,如果能建立相對通用的軟硬件基礎,然后在其上開發出適應各種需要的系統,是一個比較好的發展模式。目前的嵌入式系統的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內核,需要根據實際的使用進行功能擴展或者裁減,但是由于微內核的存在,使得這種擴展能夠非常順利的進行。

      實際上,嵌入式系統本身是一個外延極廣的名詞,凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統都可以叫嵌入式系統,而且有時很難以給它下一個準確的定義?,F在人們講嵌入式系統時,某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統的嵌入式系統,本文在進行分析和展望時,也沿用這一觀點。

      一般而言,嵌入式系統的構架可以分成四個部分:處理器、存儲器、輸入輸出(I/O)和軟件(由于多數嵌入式設備的應用軟件和操作系統都是緊密結合的,在這里我們對其不加區分,這也是嵌入式系統和一般的PC操作系統的最大區別)。

      這些年來掀起了嵌入式系統應用熱潮的原因主要有幾個方面:一是芯片技術的發展,使得單個芯片具有更強的處理能力,而且使集成多種接口已經成為可能,眾多芯片生產廠商已經將注意力集中在這方面。另一方面的原因就是應用的需要,由于對產品可靠性、成本、更新換代要求的提高,使得嵌入式系統逐漸從純硬件實現和使用通用計算機實現的應用中脫穎而出,成為近年來令人關注的焦點。

      從上面的定義,我們可以看出嵌入式系統的幾個重要特征:

      1.系統內核小。由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置的,系統資源相對有限,所以內核較之傳統的操作系統要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系統,內核只有5K,而Windows的內核?簡直沒有可比性。

      2.專用性強。嵌入式系統的個性化很強,其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密,一般要針對硬件進行系統的移植,即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務,往往需要對系統進行較大更改,程序的編譯下載要和系統相結合,這種修改和通用軟件的“升級”是完全兩個概念。

      3.系統精簡。嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分,不要求其功能設計及實現上過于復雜,這樣一方面利于控制系統成本,同時也利于實現系統安全。

      4.高實時性的系統軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態存儲,以提高速度;軟件代碼要求高質量和高可靠性。

      5.嵌入式軟件開發要想走向標準化,就必須使用多任務的操作系統。嵌入式系統的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(Real-Time Operating System)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。

      6.嵌入式系統開發需要開發工具和環境。由于其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。開發時往往有主機和目標機的概念,主機用于程序的開發,目標機作為最后的執行機,開發時需要交替結合進行。

      7.嵌入式系統與具體應用有機結合在一起,升級換代也是同步進行。因此,嵌入式系統產品一旦進入市場,具有較長的生命周期。

      8.為了提高運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中。

      應用領域

      嵌入式系統技術具有非常廣闊的應用前景,其應用領域可以包括:

      工業控制

      基于嵌入式芯片的工業自動化設備將獲得長足的發展,目前已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中,網絡化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑,如工業過程控制、數字機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、石油化工系統。就傳統的工業控制產品而言,低端型采用的往往是8位單片機。但是隨著技術的發展,32位、64位的處理器逐漸成為工業控制設備的核心,在未來幾年內必將獲得長足的發展。

      交通管理

      在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面,嵌入式系統技術已經獲得了廣泛的應用,內嵌GPS模塊,GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭,只需要幾千元,就可以隨時隨地找到你的位置。

      信息家電

      這將稱為嵌入式系統最大的應用領域,冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里,也可以通過電話線、網絡進行遠程控制。在這些設備中,嵌入式系統將大有用武之地。

      家庭智能管理

      水、電、煤氣表的遠程自動抄表,安全防火、防盜系統,其中嵌有的專用控制芯片將代替傳統的人工檢查,并實現更高,更準確和更安全的性能。目前在服務領域,如遠程點菜器等已經體現了嵌入式系統的優勢。

      POS網絡

      公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發行系統,公共電話卡發行系統,自動售貨機,各種智能ATM終端將全面走入人們的生活,到時手持一卡就可以行遍天下。

      環境工程

      水文資料實時監測,防洪體系及水土質量監測、堤壩安全,地震監測網,實時氣象信息網,水源和空氣污染監測。在很多環境惡劣,地況復雜的地區,嵌入式系統將實現無人監測。

       

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