嵌入式系统发展前景

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嵌入式系统发展前景

随着计算机技术、互联网技术和单片机技术的深入发展，嵌入式系统在经历了几十年的发展历程后，又进入了一个新的历史发展阶段，即从普遍低端应用进入到一个高、低端并行发展，并且不断提升低端应用技术水平的时代，其标志就是32 位嵌入式系统的发展。网络、通信、多媒体、信息家电时代的到来，嵌入式系统得到大规模的应用。各种各样的新型嵌入式系统设备在使用频率上已经大大超过个人计算机。人们已经拥有大大小小各种嵌入式技术的电子产品，小到手表、MP3等微型数字化产品，大到车辆导航、家用电器、多媒体电器；而在服务行业和工业领域中，嵌入式技术的医疗设备、工业过程控制、各种智能ATM终端等正在逐渐改变传统的服务方式，提高工业生产效率[1]。

目前，我国嵌入式系统的发展十分迅速，其发展正从嵌入式系统走向嵌入式产业，巨大的市场需求不断加速嵌入式系统的产业化进程。

1嵌入式系统介绍

1.1 嵌入式系统的定义

嵌入式系统是指以应用为中心, 以计算机技术为基础, 软件硬件可剪裁, 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能, 它通常嵌入在主要设备中运行[2]。

1.2 嵌入式系统的特点

1、专用性强

嵌入式系统的硬件和软件，尤其是软件，都是为特定用户群来设计的，它通常都具有某种专用性的特点。

2、实时性好

实时性是对嵌入式系统的普遍要求，是设计者和用户重点考虑的一个重要指标。

3、可裁剪性好

把嵌人式系统硬件和操作系统设计成可裁剪的，以便使嵌入式系统开发人员根据实际应用需要来量体裁衣，去除冗余，从而使系统在满足应用要求的前提下达到最精简的配置。

4、可靠性高

由于有些嵌入式系统所承担的计算任务涉及产品质量、人身设备安全、国-家-机-密等重大事务，加之有些嵌入式系统的宿主对象要工作在无人值守的场合，所以与普通系统相比较，对嵌入式系统可靠性的要求极高。

5、功耗低

有很多嵌入式系统的宿主对象都是一些小型应用系统，例如移动电话、PDA、MP3、飞机、舰船、数码相机等，这些设备不可能配备容量较大的电源，因此低功耗一直是嵌入式系统追求的目标。

2嵌入式系统的应用现状

现代社会信息化，智能化，网络化发展迅速，嵌入式系统的发展空间也越来越大。从二十世纪九十年代起，嵌入式技术全面展开，发展到现在已成为通信，工业和消费类产品不可转变的共同发展方向。

2.1 嵌入式系统在智能家居中的应用

智能家居（Smart Home）是利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术和传感技术等，依照人体工程学原理，将家居生活中的各类电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理的一种嵌入式系统。随着嵌入式系统在物联网中广泛运用，智能家居控制系统，对住宅内的家用电器、照明灯光进行智能控制，并实现家庭安全防范，并结合其他系统为住户提供一个温馨舒适、安全节能、先进高尚的家居环境，让住户充分享受到现代科技给生活带来的方便与精彩。

2.2 嵌入式系统在工业上的应用

二十一世纪是信息化的社会，互联网的发展不可抑制，网络化是提高生产效率，保证产品质量，降低人工成本的有效方法。在工业工程控制，数字机床，电力系统，电网安全，石

油化工系统等方面的发展，就离不开嵌入式系统，从老式的低端的八位单片机到如今以32 位，64 位处理器为核心的工业控制设备，足以让我们明白目前工业设备的发展是以嵌入式系统的发展为前提的。尤其在数控技术中，嵌入式LINUX 数控系统完成了系统人机界面的开发，利用C 语言完成了控制层面的开发[3]。

2.3 嵌入式系统在交通管理中的应用

随着我国经济发展，人民生活水平大大提高，私家车已不再是稀罕物了，越来越多的出现在人们的视野中了，而在车中就大量用到了嵌入式系统，从普通定位的GPS，移动定位的GSM 到车辆的流量控制，信息监测，车辆导航，甚至是交通运输等许多方面。可见嵌入式系统在交通管理中获得广泛地应用。

2.4 嵌入式系统在电子商务中的应用

现在一些大型商场中的自动售货机早已进入人们的视野，居民出行方便省钱的公交卡，随处可见的智能ATM 终端，各种超市商场的会员卡，这些卡伴随着嵌入式系统的发展在人们生活中发挥着越来越重要的作用，一卡在手走遍天下已不是遥不可及的梦想。

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2.5 嵌入式系统在安防的应用

嵌入式系统在安防中也有着非常重要的作用，随着网络化的发展，旧的安防方式如门禁，摄像头，录像等早已被淘汰，取而代之的是以嵌入式系统为核心的网络化设备，如网络摄像头，硬盘录像机等。并且在水文资料实时监测中，嵌入式系统也可以实现无人监测[4]。 3嵌入式系统的发展趋势

嵌入式系统的市场是巨大的，嵌入式系统的应用几乎无处不在：移动通信、数字办公、家电应用、交通运输、互动娱乐等无不有它的踪影。体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等嵌入控制器独有的特点与优势，使其被广泛运用到教育、国防、工农业、科学研究以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术进步、自动化发展、产品更换、提高生产率等方面起到了十分重要的促进作用。

嵌入式系统作为人类青睐的系统工具，要想不被淘汰，只有吸引人们的目光，不断进步，给人类生活带来便利，打开新的消费市场，适应快速发展的社会状况。

3.1 网络互联化

现在的嵌入式系统大多是通过通用计算机实现的，而如今计算机网络不断发展，嵌入式系统要跟紧时代的潮流，才能引领消费市场，独占鳌头。在硬件上嵌入式系统在不断完善网络接口的多种形式，软件上系统内核支持更多的网络模块，向随时随地上网目标迈进。

3.2 系统化

目前，嵌入式系统迅速发展的同时，与之相配的硬件开发和软件包支持也在不断发展。例如三星推广Arm7、Arm9芯片时也对与之配套的开发板和板级支持包（BSP）做了介绍。Window CE 亦是如此，不仅推广系统，还提供Embedded VC++作为开发工具。

3.3 更加生活化

现在，嵌入式系统已经成为人们生活中非常重要的一部分了，从手写输入，语音输入到现在的掌势语音同声翻译甚至是未来的远程控制，随着科技进步，嵌入式系统只会越来越贴近生活，为人类提供更加便捷的服务。

3.4 精简化

市场竞争中，同样的条件下，降低成本的生产者才是赢家。这就需要设计者们不断研发，改革创新，利用较少的资源，选择最佳方案，不断精简算法程序，提高编译器的工作能力，获得最佳性能。

4 结论

近几年我国对物联网行业发展的大力支持和相关产业发展的不断推动，使得具有高度智能化的电子产品的应用范围也因此而不断的扩大，从而使得更多的嵌入式产品也不断的进入到了我们日常的生产生活之中，这就标志着嵌入式系统也进入到了飞速发展的时期，其应用的规模也随之不断的扩大、在此种背景下，本文首先对当前我国各行业对嵌入式系统的概念及应用情况进行简单的介绍和讲解，然后对嵌入式系统未来的发展趋势进行研究，进而了解嵌入式系统在我国各行业的深入应用。

论嵌入式的发展历史、现状及未来发展前景2017-04-07 08:56 | #2楼

(1)始于微型机时代的嵌入式应用

电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。

(2)现代计算机技术的两大分支

由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、工控单元），无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。

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如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，计算机的高速发展时期。

(3) 两大分支发展的里程碑事件

通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则

迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。

嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。

现状

1 嵌入式系统的含义及分类

嵌入式系统被定义为:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

目前嵌入式系统除了部分为32 位处理器外,大量存在的是8 位和16 位的嵌入式微控制器(MCU) ,嵌入式系统是计算机应用的另一种形态,正如前所述它与通用计算机应用不同:嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。目前根据其发展现状,嵌入式计算机可以分成下面几类:

(1) 嵌入式微处理器(Embedded MicroprocessorUnit , EMPU)

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

(2) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit , MCU)

嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROMPEPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时P计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出、APD、DPA、Flash RAM、E2PROM 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特

点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

(3) 嵌入式DSP 处理器( Embedded Digital SignalProcessor , EDSP)

DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP 算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP 算法正在大量进入嵌入式领域,DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP 功能,过渡到采用嵌入式DSP 处理器。

(4) 嵌入式片上系统(System On Chip)

随着EDI 的推广和VLSI 设计的普及化,及半导体工艺的迅速发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临, 这就是System On Chip(SOC) 。各种通用处理器内核将作为SOC 设计公司的标准库,和许多其它嵌入式系统外设一样,成为VLSI 设计中一种标准的器件,用标准的VHDL 等语言描述,存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统,仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去,应用系统电路板将变得很简洁,对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

2 嵌入式系统工业的特点

(1) 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业

从某种意义上来说,通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行业90 %的PC 产业,80 %采用Intel 的8x86 体系结构,芯片基本上出自Intel ,AMD ,Cyrix 等几家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面,Microsoft 的Windows 及Word 占80 - 90 % ,凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由Wintel (Microsoft 和Intel 90 年代初建立的联盟)垄断的工业。

嵌入式系统则不同,它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流,但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外,社会上的各个应用领域是在不断向前发展的,要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。

器件是嵌入式系统产业的根本,嵌入式系统工业的基础就是以应用为中心的“芯片”设计技术和面向应用的软件产品开发技术。

(2) 嵌入式系统具有的产品特征

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,如果独立于应用自行发展,则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求

的制约,这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。

和通用计算机不同,嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求,对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能;但同时还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向的用户是不一样的,可能是一般用户,行业用户或单一用户。

嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件,一般都固化在只读存储器中,而不是以磁盘为载体,可随意更换,所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外,各个行业的应用系统和产品,和通用计算机软件不同,很少发生突然性跳跃,嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性,发展比较稳定。

嵌入式处理器的发展也体现出稳定性,一个体系一般要存在8 - 10 年的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统,用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。

(3) 嵌入式系统软件的特征

嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键,对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。

①软件要求固态化存储

为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。

②软件代码高质量、高可靠性

尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。

③系统软件(OS) 的高实时性是基本要求

多任务嵌入式系统中,对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键,单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的,这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成,因此系统软件的实时性是基本要求。

④多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础

(4) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境

通用计算机具有完善的人机接口界面,在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的

程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。

(5) 嵌入式系统软件需要RTOS 开发平台

通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API) ,是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统(OS) 平台上面运行,但一般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS 开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。

(6) 嵌入式系统开发人员以应用专家为主

通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的,要求更多的计算机以外的专业知识,其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。

前景

3 嵌入式系统的应用前景

嵌入式控制器的应用几乎无处不在:移动电话、家用电器、汽车无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了5 - 10 个嵌入式微处理器。在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

嵌入式系统工业是专用计算机工业,其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用;通用计算机的发展变为功能电脑,普遍进入社会,嵌入式计算机发展的目标是专用电脑,实现“普遍化计算”,因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。正如我国资深嵌入式系统专家—沈绪榜院士的预言, “未来十年将会产生头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”,将为我们提供无限的创造空间。总之“嵌入式微控制器或者说单片机好象是一个黑洞,会把当今很多技术和成果吸引进来。中国应当注意发展智力密集型产业”。

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