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葉少珍（1963 -）
女，博士。現為福州大學數學與計算機科學學院教授，碩士生導師，福州大學數學與計算機科學學院計算機科學與技術系副主任。中國計算機學會高級會員第五屆工控機專委會委員。

摘要：結合商業應用，本文分析并比較嵌入式系統的應用現狀，簡要介紹嵌入式系統在若干產業的應用實例。進一步從計算機學科的技術發展角度，對嵌入式系統硬件，軟件，集成架構和安全可靠性能等方面進行了展望。

關鍵詞：嵌入式系統；軟硬件；集成架構；安全可靠性

Abstract: Combined with business applications, the paper analyzes and compares with the 
application status on embedded systems, and introduces simply some application examples 
in the industries. In the view of technology development in the field of computer science,
 the future research direction is summaries, relating with these technologies such as 
hardware, software, frame integrated and security and reliability on the embedded system.

Key words: embedded system; software and hardware; frame integrated; security and reliability

1 引言

    信息和知識經濟時代，使當今的計算機科學技術的發展越來越深入到國民生活的方方面面，特別高性能多核處理器、光纖與Myrinet等高速網絡和高性能分布計算的標準工具推動了集群計算從高性能計算向高效能計算的轉變。但如何管理調度龐大的資源集合，充分發揮每個部件的工作能力和降低系統耗能卻成為亟待解決的問題，進一步如何使計算和通信無所不在并成為普通用戶都能方便享用的服務，跨越移動計算、嵌入式系統、自然人機交互、軟件結構等多個研究領域的普適計算技術正在發揮著作用，當然還存在實現上下文感知和應用無縫遷移等問題需要解決。

    另一方面，利用通信、嵌入式計算和傳感器等技術，人們研制出了各種具有感知、計算和通信等能力的微型傳感器，通過這些無線傳感器網絡人們可以在任何時間、地點和任何環境條件下協作地實時監測、感知、采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。因此，這種網絡系統被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災等領域。

    綜上所述，嵌入式系統正是以其組網靈活﹑可靠性高﹑抗干擾能力強﹑低功耗和網絡容量大等特點在計算機應用領域發揮著顯著的作用，本文從商業應用層面小結嵌入式系統的應用研究現狀，并結合計算機學科技術發展，從硬件，軟件，集成架構和安全可靠性能等方面展望未來。

2 嵌入式系統以及應用現狀

2.1 嵌入式系統與應用

    嵌入式系統是一種面向應用、功能定制、資源受限、響應要求高、性能穩定、無自舉開發能力，由硬件和軟件兩部分構成的專用計算機系統。“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統”是嵌入式系統的三個基本要素，應用對象系統指嵌入式系統所嵌入的宿主系統。按產品的構成方式主要有如下四類：嵌入式微處理器（(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)﹑嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)﹑嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)和嵌入式片上系統(System On Chip，SOC)。嵌入式系統總體特點：（l）嵌入式系統工業是不可壟斷的高度分散的工業。（2 ）嵌入式系統是面向用戶，特定種類的產品和具體領域應用。（3）嵌入式系統對軟件要求高。一般固化在存儲器芯片中，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。（4）嵌入式系統開發需要特定的開發環境和開發工具。（5）嵌入式系統軟件需要實時操作系統(RTOS)開發平臺。（6）嵌入式系統開發人員以專家為主。開發人員需要和各個不同行業的應用結合，要求計算機專業以外的更多知識，往往是各個應用領域的專家[9]。

    目前，作為主流32位RISC嵌入式處理器，ARM（Advanced RISC Machines）以其高性能、低功耗的優勢占據很大的市場份額。ARM處理器家族大致分為如下系列：ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore、strongARM、Xscale等。嵌入式操作系統除了通用操作系統的基本特點外，還滿足嵌入式便攜式設備所需的可裁剪性﹑可移植性﹑實時性和低資源占用性等特點，常用通用型嵌入式操作系統有Linux﹑VxWorks﹑Windows Embedded CE﹑PalmOS等，專用型嵌入式操作系統有Smart Phone﹑PocketPc﹑Symbian﹑Windows mobile等。國內凱思集團推出了“女蝸Hopen”已能支持所有主流的嵌入式芯片。嵌入式控制器體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優點，其應用已深入到多個領域，其主要范圍見表1[9]。

                                    表1   嵌入式系統的應用范圍

應用領域	實例
家用市場	機頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數碼相機、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調、家庭網關、智能家用電器、車載導航系統等。
通信市場	電話交換系統、電纜系統、衛星和全球定位系統(GPS)、數據交換設備、移動電話等。
工業市場	制造工廠、自動化工廠、機器人系統等 。
商業金融市場	自動柜員機、信用卡系統、售貨端系統、安全系統等。
辦公市場	電話系統、傳真系統、復印機、計時系統、照相機、攝像機等。
運輸市場	航空、鐵路、公路運輸系統、燃料服務、航空管理、雷達系統、交通指揮系統、停車系統、售票系統、行李處理系統等。
建筑市場	電力供應、備用電源和發電機、火警控制系統、電子門鎖系統、安保系統、樓宇管理系統、閉路電視系統、電子保險柜等。
醫療市場	心臟除顫器、心臟起搏器、患者信息監控系統、理療控制系統、電磁成像系統等。

2.2 嵌入式系統的實例

2.2.1 嵌入式人臉自動識別系統

    在智能家居或戶外非布控點的嵌入式人臉識別系統中，相關研究人員采用Windows CE5.0操作系統和基于ARM微處理器的Liod開發平臺硬件架構，以OpenCV為輔助開發工具實現了嵌入式自動人臉檢測識別系統，設計中考慮嵌入式硬件設備、人臉樣本的采集與篩選、識別算法等對嵌入式識別系統的性能和工作穩定性的影響。為解決在海量人臉庫中進行識別的難題，設計實現了基于無線網絡傳輸的遠距離人臉識別系統。需要進一步改進是從系統設計角度由DSP芯片硬件完成人臉的檢測和圖像的預處理，改進人臉細節特征點描述，有效綜合多種方法和其它生物特征的鑒別，可使嵌入式自動人臉識別系統達到低成本、低功耗、便攜式等更好的目標^[1][2] 。

2.2.2 分布式光纖管道安全監測系統

    管道輸送是一種經濟方便的運輸方式，在石油和天然氣運輸中具有獨特優勢，石油行業對長距離輸油氣管道安全預警系統的需求主要有以下：（1）對管道周邊環境的長距離全天候的實時監控；（2）傳感器采集的數據有智能信息處理的能力；（3）對新的地質環境及新的破壞手段的自適應能力。根據已有的監測系統，論文[8]提出長距離輸油氣管線安全預警系統的實現模型，信號采集、光電轉換以及PGC解調由分布式光纖光相位傳感系統完成，該系統同時進行振動源定位。解調后的土壤振動信號經USB口傳入一塊運行嵌入式Windows XP系統的855主板，在此系統上運行的程序實現土壤振動信號的分析與破壞性行為的模式分類。分類后產生的報警信號經串口發往值守報警終端FU，FU為一塊運行嵌入式Linux系統的ARM板卡。與此同時，振動片段的原始信號以及破壞性行為的識別結果將通過網口傳往FST（服務器），在FST上。每個FST接收來自8個基站的信號，即對應8個FU和8塊855主板，這樣，每個FST的監控距離達400Km，可實現區域級的管道安全監控與預警，通過FST的級聯可實現國家級覆蓋的管道安全監控與預警。

2.2.3 DNA序列分析嵌入式系統

    二十世紀下半葉以來，分子生物學、分子遺傳學和生物化學的迅猛發展，使人類對生命的認識逐步從器官、細胞水平深入到分子水平，DNA(脫氧核糖核酸)攜帶了生物體的基因信息，基因信息的提取即DNA測序，是現代分子生物學研究中的重要分支。從1986年美國能源部提出的人類基因組計劃(Human Genome Project，HGP) ^[3]到進入后基因組時代，基因序列數據及蛋白序列數據正以前所未有的速度增長，人們對基因檢測的需求越來越大，自二十世紀九十年代初開始的固態平板生物芯片技術、到基于毛細管電泳及微型全分析儀器系統 (micro total analytical system,μTAS)之上的現代檢測技術^[4] 。      

    基于微芯片的商品化DNA分析儀是DNA序列分析測定系統進一步發展的方向。微芯片與毛細管相比有許多優勢：（l）可以在一塊微芯片上一次同時制作多條通道，降低實現高通量并行檢測的成本，且有利于大批量生產；（2）散熱性好，提高電泳電壓，降低所需分離長度，提高檢測速度；（3）由于進樣結構可以進行設計，優化樣品的進樣量，降低電泳中的區帶展寬，提高電泳效率，且該結構使長DNA片斷更容易進入微通道，從而提高其濃度，改善毛細管電泳中信號隨著DNA片斷長度增加而衰減的現象，從而提高信號的均勻性與信噪比；（4）微芯片尺寸小，形狀固定，支承結構簡單，有利于儀器的微型化；（5）微芯片的進樣過程容易控制，更有利于系統自動化、智能化的實現；（6）易于與DNA檢測中的樣品處理步驟結合，形成集成化多功能的芯片實驗室(Lab on a Chip)。研究人員使用嵌入式控制系統完成DNA分析儀的自動化控制操作和數據采集的功能，該系統核心器件為PhiliPs的LPC2142一個32/16位ARM7 TDMI-S CPU微控制器，四色16通道DNA熒光信號采集系統，通過振鏡和自行設計的遠心f-theta掃描物鏡組成的光學掃描系統，實現多通道DNA快速并行檢測。DNA熒光信號采集系統中集成了嵌入式系統，實現系統自動控制和與PC機的通信，采集到的DNA熒光信號圖譜可以在PC機中實時顯示，實測信噪比為26.91dB，達到國外同類產品的水平^[5][6] 。

2.2.4 基于模型的汽車光纖傳感智能環境感知系統

    以汽車電子控制系統作為實現模型的硬件平臺，符合汽車電子行業公認的OSEK標準的操作系統作為實現模型的軟件平臺，研究人員研究在基于模型的汽車電子軟件開發中使用復雜事務模型時的模型綜合問題，包括分布式環境中多資源約束的模型綜合方法和能量節省的模型綜合方法，即基于模型汽車電子軟件開發環境SmartOSEK IDE v3.5中模型綜合的理論框架－MOSAES以及與MOSAES相關的模型：結構模型、平臺模型、實現模型和約束模型等，該方法包括構件分配和實現模型生成兩個階段。首先，在滿足處理器的計算資源、內存資源約束和保持計算密度平衡的條件下把構件分配到處理器上，然后以滿足定時約束為目標生成實現模型。構件分配和實現模型生成是一個回溯的過程。此外，提出了混合調度方式和分組調度方式下，任務段之間不連續時，事務的定時驗證方法，以滿足分布式環境中驗證定時約束的需要^[10] 。

3 嵌入式系統的架構

3.1 嵌入式系統的軟硬件

    嵌入式系統的核心是嵌入式數據處理硬件及與之配套的嵌入式軟件，嵌入式系統的硬件可采用三種CPU方案滿足不同要求，它們分別是：微控制器、現場可編程邏輯門陣列（FPGA）以及專用集成電路（ASIC）。如今具有計算功能的芯片替代微控制器現場可編程邏輯門陣列（FPGA）以及專用集成電路（ASIC）都采用了硬件化的布爾邏輯算法并具有高度的適應性，能夠實現相當豐富的邏輯功能。再者，它們都可通過諸如VHDL和Verilog之類的標準硬件描述語言（HDL）進行編程，不必動用由第三代或更高級編程語言編寫的軟件進行編程。一款FPGA平臺適用于多種產品，從而起到了平衡開發成本與資源的作用^[11] 。目前基于FPGA的嵌入式系統的設計比較有影響和特點的4款嵌入式CPU 軟核分別是Nios/Nios2、MicroBlaze、Leon2/Leon3和OpenRISC1200，其中Nios 系列配置靈活，可滿足大范圍的速度、面積的需求；MicroBlaze 配置選項少，但是比相同功能的Nios 系列的性能要高一點；Leon 與主流通用CPU 兼容，因此軟件資源豐富，主頻一定時，性能可得到保證；OpenRISC 不與任何其它CPU 的指令集兼容，對用戶自定義指令的支持很好，可應用在一些安全要求高的環境。軟件開發都使用GNU 或者GNU Pro 交叉編譯開發包，并且都有Linux 或者uClinux 操作系統的支持，因此軟件開發不需要重新學習新的開發環境，并且有大量的免費、開源的資源。

    嵌入式軟件的特征概括為四個字:“小”、“特”、“專”、“簡”。嵌入式的支撐軟件主要包括：嵌入式數據庫、嵌入式調試軟件等，在國外，Sybase在移動數據庫領域占主導地位，應用于遍及醫療保險、金融、服務、零售業、運輸和政府等領域。嵌入式系統技術的技術動向：（l）對應用開發提供強大支持，為了滿足應用功能的升級，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，同時還采用實時多任務編程技術和交叉開發工具控制功能復雜性，簡化應用程序設計，保障軟件質量和縮短開發周期。例如，諾基亞手機嵌入低功耗方位微處理器AMD ELAN486，并采用嵌入式操作系統ECOS；國產康佳手機也內置ARM7處理器，配用Nuclear RTOS。（2）為設備網絡通信提供標準接口。（3）支持小型電子設備，實現小尺寸，微功耗和低成本。（4）提供精巧的多媒體人機界面。

    與互聯網、移動無線網絡、GPS衛星定位及地理信息系統相結合，通過INTERNET、短信、Wap、Java，嵌入式系統等先進技術的組合集成產品也是現在很多IT公司研發的主要方向，如中國移動通信集團福建有限公司物流通就是一個集GPS、LCS、GIS、GPRS、SMS等技術的綜合性應用平臺，為物流公司、配貨站、公司車隊、各種營運車輛及外出人員、私家車等車輛提供實時的位置信息，可以對車輛進行追蹤、人員追蹤、通過實時的位置，可以為企業提供高效的車輛調度。同時通過GPS終端的其它功能，對車輛起到有效的防盜作用，油耗監控，對各類企業的車輛安全、成本控制提供有效的保障。星網GPS智能監控管理系統綜合應用了GPS全球衛星定位技術、GIS地理信息處理技術，提供基于GSM/GPRS/CDMA 模式的移動目標定位、監控、監聽、調度、遠程控制、軌跡回放、信息發布等服務，具有聯網報警和求助等功能，能為移動車輛管理和行業應用提供了一整套完善的解決方案^[12] 。

3.2 基于ScratchPad Memory嵌入式系統的優化

    ScratchPad Memory是集成到芯片上的非cache用途的SRAM存儲器的統稱，利用ScratchPad Memory進行嵌入式系統的優化：嵌入式操作系統優化，通過對嵌入式操作系統中調度算法的改進，對嵌入式操作系統的進程調度模塊進行優化，將進程調度模塊分配到 Scratchpad Memory上運行；將嵌入式操作系統微內核化，對微內核實行構件化，從而提高嵌入式操作系統的運行效率；多道程序共享ScratchPad Memory的優化。通過對嵌入式程序進行分析，生成存儲對象。這些存儲對象在運行時，可以被調度到 SeratchPad Memory上，利用 ScratchPad Memory的特點加快程序的運行速度，減少程序運行時的能耗；提出了面向MPSoC體系結構的SeratchPad Memory優化。通過操作系統專門的SeratchPad Memory管理器在多道程序之間進行協同，達到多道程序共享 Scratchpad Memory的目的。通過對程序的線程化，提高程序的并行性，同時，由于線程流水，存儲對象將會相對穩定的駐留在 ScratchPad從而實現對程序運行加速的目標。總之通過基于 ScratchPad Memory的優化，提升嵌入式系統的整體性能，將推動 ScratchPad Memory在嵌入式系統中的進一步研究和推廣^[7] 。 

3.3 嵌入式系統軟/硬件協同設計

    目前，隨著嵌入式系統功能和復雜性的增大，嵌入式系統軟/硬件協同設計方法學已是一個廣泛的研究課題，主要包括：系統建模、軟/硬件協同綜合、設計功能和性能指標評價技術、軟/硬件協同仿真、軟/硬件協同驗證、SoC測試調度技術等方面，并且還分為不同的設計層次。 

    嵌入式軟件的開發與硬件仍然密不可分，隨著人們對嵌入式系統的功能要求越來越復雜，從軟硬件系統與平臺選擇，設計，開發到測試與集成，整個過程都是軟硬件并行交互進行，這樣嵌入式軟件開發己經成為一項很復雜的系統工程，因此嵌入式軟件的開發必須遵循系統工程和軟件工程的要求，并對高速增長的成本和電路系統的復雜性以及市場所帶來的時間壓力，迫使設計者在設計期間就開始對系統進行驗證，因而需要加強嵌入式軟件開發和外圍硬件設計階段之間的信息交流，強調虛擬系統集成(Vsl)技術協同設計和虛擬環境的構造。

    論文^[9]研究人員提出采用“面向方面技術  (Aspect Oriented Technofogy，AOT)”解決各構成要素間導致系統開發效率和軟件質量低下的橫斷關系，定義了面向方面軟件體系結構的基本構件及各構件間的連接器，進而提出了一種面向方面的嵌入式軟件體系結構模型。并通過在自動售貨機控制軟件開發中的實際應用，說明了基于該模型的軟件設計過程。與基于傳統軟件體系結構開發結果對比表明，采用該軟件體系結構模型能提高軟件系統的開發效率和軟件質量。

4 嵌入式系統的性能

    快速性是系統實時能力的表現。當系統不能滿足實時性要求時，必須提高系統的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來系統的一些負面效應，如導致系統功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設計一個具體的嵌入式系統時，在保證能滿足實時性要求的條件下，應使系統的運行速度降到最低，以滿足系統在功耗、可靠性、電磁兼容性方面獲得最佳的綜合品質。在一個嵌入式應用系統中，有許多過程環節。例如，一個典型的智能儀表就有信號采集、數據處理、結果顯示、鍵盤輸入等過程。這些過程往往是在不同的時間與空間上進行，而且不同過程的實時性要求是不同的。鍵盤輸入、結果顯示是與人交互的，要滿足人機交互的實時性要求；信號采集與對象系統領帶的動態性密切相在，必須滿足由動態信號采集的實時性要求；而數據處理則會形成從動態信號采集到結果顯示的時間延遲，影響到結果顯示的實時性要求。因此一個優秀的實時系統設計，必須研究系統中的每一個過程環節，滿足每一個過程環節和整個系統的最佳實時要求。

    嵌入式系統往往工作環境惡劣、受電噪聲干擾較大，而且隨著軟件越來越復雜，系統運行不穩定的現象愈來愈嚴重，因此，可靠性已成為衡量嵌入式系統優劣的重要因素，應把可靠性作為嵌入式系統最重要的指標優先考慮。具體包括架構的可靠性，網絡的可靠性，數據的可靠性和人員的可靠性。      

5 結束語

    本文總結了嵌入式系統應用和若干技術進展，特別強調系統集成的觀點對嵌入式系統應用對象的選擇，以及嵌入式系統進行協調設計和網絡互聯等的貫穿思想，有助于嵌入式系統進行合理有較好性價比的軟硬件分配，算法的選擇，網絡架構環境的搭建，使嵌入式系統在實際應用中有更好的發展前景。


參考文獻

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[11] http://www.orml.gov/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml..

[12] http://www.cechina.cn/.

[13] http://www.star-net.cn/gps/product.asp.