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1  嵌入式系統是信息技術發展的產物

1.1  什么是嵌入式系統

    嵌入式系統是以應用為中心，整合了計算機軟件，硬件技術，通訊技術和微電子技術，以“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入到應用系統的設備中，適用應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

對嵌入式系統較全面地理解應當從以下3方面來認識：

    (1)  硬件應由嵌入式處理器做基礎平臺；
    (2)  軟件應由嵌入式軟件為運行平臺；
    (3)  形式應是嵌入在設備中，各種設備有不同的外形及相應附屬配件，它只不過是其中的一個控制核心部件。

1.2  嵌入式處理器

嵌入式處理器的體系架構可分為3種形式：

    (1)  IP（Intellectual Property）級架構
    也就是片上系統SoC（System on Chip）形式，即是依設備功能的需求，將不同的IP單元，集成在一塊芯片中，它包含有處理器功能，I/O接口功能及嵌入式軟件功能。

    (2)  芯片級架構
    MCU、MPU、DSP（Digital Signal Processor，數字信號處理器）、RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）等芯片，并將RAM、ROM（EPROM/ EEPROM/ Flash）及I/O接口芯片等組成相應的嵌入式系統，相應的系統軟件，應用軟件是以固件形式固化在電子盤中，這是目前常用的嵌入式系統的架構方式。

•  MCU、MPU屬于單片機系列。
•  DSP具有數字信號處理能力強，特別適合于聲音、圖像等多媒體信息系統，但是其常規處理能力不強，尋址范圍有限，I/O功能弱及開發平臺問題，較少單獨作為嵌入式系統的處理器，而是與嵌入式處理器相結合，構成更強大的功能。
•  RISC型處理器具有結構簡單，處理速度快和處理功能強等優點，因此，新型的嵌入式系統大多數采用RISC處理器，這種處理器目前典型的代表是ARM架構處理器，世界上許多公司均基于ARM架構開發出相應的微處理器芯片，如：

ATMEL公司：AT91系列MCU（采用ARM7TDMI內核）。
Intel公司：SA-1110微處理器MPU（采用Strong ARM核）。
Cirros公司：EP及CL-PS系列手持式計算機產品的MPU（采用ARM720T核）。
Linkup Systems公司：L720互聯網處理器（采用ARM720T）。
Sharp公司：LH77790手持式產品中的MPU（采用ARM 7TD內核）。
其他如Hyundai公司、OKI公司、Rohm公司、Samsung公司、Netsilicom公司等，其產品中均采用ARM內核。

•  Xscale：是另外一種新型的微架構處理器，它是新一代為無線手持式應用產品開發的嵌入式處理器，是PCA開發式平臺架構中應用于子系統與通訊子系統中的嵌入式處理器。

(3)  ×86處理器嵌入到應用系統中

    這樣可充分利用PC機的通用性和便利性，采用嵌入式操作系統，并且將操作系統和應用軟件均固化在固態電子盤中，以縮小體積，增加可靠性。典型的產品有深圳市研祥智能科技股份有限公司的嵌入式CPU卡及威盛電子股份有限公司的C3 CPU卡。

1.3  嵌入式操作系統

由于嵌入式操作系統要固化在電子盤中，因而它應具備以下特點：

    (1)  代碼容量小，一般核代碼在幾K或稍高些；總代碼容量希望小于64K；
    (2)  面向應用，根據用戶功能要求配置中間件，可裁剪，可移植；
    (3)  實時性強，許多應用中要求相應速度塊，實時處理能力強，往往要求實時嵌入式操作系統；
    (4)  可靠性高，無病毒等問題。

嵌入式操作系統依應用對象不同，大致可分為以下幾類：

    (1)  基于與Windows兼容的如：嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等；
    (2)  工業與通訊類：VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；
    (3)  單片機類：IRMX、CMX、MC/OS等；
    (4)  面向Internet類：Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。

1.4  嵌入式系統形式
    嵌入式模塊應當是體積小、功耗低、易于嵌入到各種應用設備中，模塊外形可依設備需求而異，符合“量體裁衣”的原則，按需定制、按需配置、按需重構。

1.5  嵌入式系統特點

    (1)  功能適用，夠用；
    (2)  可靠性高，無病毒，存儲介質無機械硬盤，抗干擾能力強；
    (3)  體積和尺寸小；
    (4)  功耗低，無需散熱風扇，無噪音；
    (5)  價格低，市場競爭力強；
    (6)  環境適應性強；
    (7)  操作使用人性化、儀表化；
    (8)  有多種類型的軟件、硬件支持平臺；
    (9)  無需經常更新換代；
    (10)  可充分發揮設計者的才能，創造出更好的產品。

2  嵌入式系統促進工業自動化裝備的發展

    嵌入式系統應用范圍十分廣泛，可應用于各行各業，它是信息化建設的基石，如果說PC機在過去幾年的發展是一支獨秀，今天嵌入式系統的應用則是百花齊放。

    它可應用于制造工業、儀器儀表過程控制、信息化教育、信息家電、通訊、樓宇智能化、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、商用POS和稅控收款機、消費類產品等領域。

    嵌入式技術有力地促進了工業自動化裝備地發展，在儀器儀表領域；智能化儀表在許多方面均是應用嵌入式技術，如醫療儀器、分析儀器、溫度儀表、流量儀表、記錄儀等。

在工業自動化領域；嵌入式系統地應用產品可分為4個方面：

(1)  智能傳感器
    工業測量中的溫度、流量、壓力、液位、聲音等傳感器，采用嵌入式技術后，可實現信號處理，非線性校正、溫度補償、公式運算、量程變換、數字信號輸出、滿足現場總線的數據傳輸。

(2)  信號變化單元

    目前很多信號變換模塊采用了微處理器，如“亞當”系列信號變換模塊；具有RS-232轉換RS-422/485模塊；模擬量模塊；開關量和計數器模塊；嵌入式控制模塊；Internet嵌入式控制器模塊等。

(3)  現場控制器

    現場控制器包括DAS（數據采集器）、DDC（直接數字控制器）、PLC（可編程控制器）、模糊控制器、協調控制器及多功能控制器等。以往均采用工業PC及插入相應的I/O卡進行處理，帶來了硬盤可靠性、病毒、操作系統穩定性等問題，從而影響了系統可靠性。筆者認為嵌入式系統最適合這一級的產品技術，采用嵌入式現場控制器，用固態盤代替硬盤，用嵌入式操作系統代替傳統的Windows98/2000操作系統，并將操作系統，應用組態軟件固化，從而產生了新一代嵌入式現場控制器，它將極大地提高系統可靠性，縮小了體積，減少了成本，增強了抗病毒和抗干擾能力，適用于工業現場的惡劣環境。

(4)  嵌入式工控機

    近幾年來，嵌入式工控機隨著嵌入式技術的發展也應運而生，它分2個方面的應用。

    一是嵌入式工控卡：如嵌入式Compact PCI卡、嵌入式2.5英寸單板計算機卡、嵌入式3.5英寸單板計算機卡、嵌入式POS和NET卡等。

    二是嵌入式工控機：最近許多公司推出了嵌入式工控機，采用嵌入式CPU、嵌入式操作系統Linux或Windows CE、各類嵌入式I/O模塊、從而構成體積小，可靠性高的新型工控機。

3  嵌入式系統給多媒體教育系統帶來了生動的活力

    近二年，多媒體教育系統發展迅速，包括多媒體教室、中控系統、語音教室、視頻會議系統等，突出一點是許多多媒體教育系統采用了嵌入式系統，替代了采用傳統PC機作為教育終端機。這主要是因為傳統PC機式的終端機存在著PC機所有的缺點，如病毒侵入、可靠性問題、死機現象、維護問題、操作方式不便缺乏人性化等。而采用嵌入式教育終端機則克服了上述PC機終端機的不足，大大增強了系統可靠性，使用的方便性及免維護性等。北京中慶現代技術有限公司推出的嵌入式網絡教育專用計算機（終端機）是一個十分典型的嵌入式系統應用產品。嵌入式CPU采用×86，另外具有4個DSP芯片，作為專用數據處理器，每個處理器速度都在1G以上，分別處理視頻圖像信息、音頻信息、網絡通訊及人機交互信息，嵌入式CPU只用于控制、分配任務、操作系統采用嵌入式操作系統VxWorks，很好地將嵌入式技術融入多媒體教育系統中。

    嵌入式網絡教學終端機具有獨立地IP地址，與標準計算機一道在校園網絡中任意漫游，較好地解決了“校校通”問題，使教育終端機進入各教室，對教室內電視機、音箱及攝像機、云臺等設備進行管理和使用。嵌入式網絡教學計算機的特點如下：

    (1)  構建于Internet技術的標準網絡產品：內置10/100M自適應以太網接口，采用TCP/IP通訊協議；
    (2)  完全數字化：處理音頻、視頻、課件等多媒體數據，采用MPEG2格式在網絡中傳輸；
    (3)  強大的音、視頻處理能力；
    (4)  采用Client/Sever技術：與服務器協同計算，進一步加強了多媒體處理能力；
    (5)  豐富的軟件支持、易于操作的人機界面：方便地實現VOD視頻點播、MOD教學課件點播、AOD音頻點播和廣播、以及管理軟件、教學軟件等；
    (6)  智能的網絡流量控制技術：采用MPEG編碼技術和自適應的網絡帶寬分配技術，可以在有限的網絡帶寬內容納更多的多媒體數據；
    (7)  內嵌先進的視頻處理轉換模塊；可以輸出CVBS、S-Video和VGA三種視頻格式；
    (8)  優良的播放效果：采用數字化技術，減少音、視頻信號的失真；
    (9)  強大的功能：支持課件播放、遠程聽課、標準化考場、一鍵上課、一鍵上網、統一的課件資源管理、同時并發點播等功能；
    (10)  很高的可靠性：采用Flash盤不會損壞，采用嵌入式軟件免受病毒困擾，堅固的壁掛式結構，免招學生觸摸或自行卸拆；
    (11)  遙控器一鍵式功能操作，使教師操作簡單，并可在教室范圍內走動隨時隨地隨講進行操作。

    上述例子充分說明了嵌入式系統不僅僅是執行一些簡單的功能，而且能夠實現很強的功能，充分體現了嵌入式系統給多媒體教育系統和教育信息化帶來了充分的活力和無限的生機。


4  嵌入式系統是信息化社會不可分割的部分嵌入式系統是構建21世紀和諧社會的信息細胞。

4.1  信息化社會要構建數字城市、智能城市均離不開嵌入式系統技術，如交通智能化離不開智能終端。


    商業領域：POS機、稅控收款機、彩票投主機、銀稅一體機、其控制器本身均采用嵌入式系統產品；
    信息家電：數字家電、數字機頂盒、家庭網絡等；
    汽車電子：控制系統、黑盒子（行駛記錄儀）、電子地圖等；
    軍事：航空、航天、指揮儀、坦克內部裝配等；
    通訊：PDA、手機、通訊控制器、安全檢測器、防火墻、交換機、路由器等；
    嵌入式網絡計算機NC：近年來正迅速發展，稱作為后PC時代的產品，主要是基礎平臺正是嵌入式技術，采用Windows CE或Linux嵌入式操作系統，CPU采用國產方舟二號芯片或×86系列芯片。

4.2  從e到u的信息細胞

    在現今全球信息化的環境中，導入信息化事物往往扣上字母e，如：e-business（電子商務）、e-government（電子政務）、e-market（電子市場）等。

    但隨著無所不在的運算（ubiguitous computing）及移動通信技術的發展，人們逐漸將u（ubiguitous，意指“無所不在”）來取代e，各國均從u作為國家信息化的發展戰略，如：u-Japan，u-Korea計劃。

    人們將從構建和諧社會，經濟發展為基點，充分發展信息化，u計劃可作為借鑒。u計劃的發展正是嵌入式系統用武之地，構成u計劃的信息細胞。

5  嵌入式系統與Internet網絡技術的結合，給國際信息化事業帶來益處

    Internet現已成為國際社會重要的基礎信息設施，是信息流通的重要渠道，將嵌入式系統能連接到Internet上面，則可以方便、低廉地信息傳送到幾乎世界上地任何一個地方，專家們預測2000～2010年是嵌入式Internet時代，它將給地球披上“電子皮膚”。嵌入式片上系統（SoC）成為瘦服務器，在這一時代將會產生比PC時代多成百上千倍地瘦服務器和超級嵌入式瘦服務器，這些瘦服務器將與世界上各種物理信息、生物信息、社會信息相聯接，通過Internet網自動、實時、方便、簡單地提供給需要這些信息地對象。

    下一代網絡設備中嵌入式系統設備將大大增加，約70%為嵌入式設備，并與Internet相聯。

    嵌入式智能芯片是構成未來世界的“數字基因”。未來10年將會產生針頭大小、具有超過1億次運算能力地嵌入式智能芯片，將為人們創造出無限地創造空間，新的嵌入式系統時代即將來臨。