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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(yè)應用，本文分析并比較嵌入式系統(tǒng)的應用現狀，簡要介紹嵌入式系統(tǒng)在若干產業(yè)的應用實例。進一步從計算機學科的技術發(fā)展角度，對嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)；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(fā)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(fā)揮每個部件的工作能力和降低系統(tǒng)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(tǒng)、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(fā)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(huán)境條件下協(xié)作地實時監(jiān)測、感知、采集網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)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(tǒng)被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等領域。

    綜上所述，嵌入式系統(tǒng)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(fā)揮著顯著的作用，本文從商業(yè)應用層面小結嵌入式系統(tǒng)的應用研究現狀，并結合計算機學科技術發(fā)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(tǒng)以及應用現狀

2.1 嵌入式系統(tǒng)與應用

    嵌入式系統(tǒng)是一種面向應用、功能定制、資源受限、響應要求高、性能穩(wěn)定、無自舉開發(fā)能力，由硬件和軟件兩部分構成的專用計算機系統(tǒng)。“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素，應用對象系統(tǒng)指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。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(tǒng)(System On Chip，SOC)。嵌入式系統(tǒng)總體特點：（l）嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)。（2 ）嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵。（4）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要特定的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。（5）嵌入式系統(tǒng)軟件需要實時操作系統(tǒng)(RTOS)開發(fā)平臺。（6）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以專家為主。開發(fā)人員需要和各個不同行業(yè)的應用結合，要求計算機專業(yè)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(yōu)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(tǒng)除了通用操作系統(tǒng)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(tǒng)有Linux﹑VxWorks﹑Windows Embedded CE﹑PalmOS等，專用型嵌入式操作系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的應用范圍

 

2.2 嵌入式系統(tǒng)的實例

2.2.1 嵌入式人臉自動識別系統(tǒng)

    在智能家居或戶外非布控點的嵌入式人臉識別系統(tǒng)中，相關研究人員采用Windows CE5.0操作系統(tǒng)和基于ARM微處理器的Liod開發(fā)平臺硬件架構，以OpenCV為輔助開發(fā)工具實現了嵌入式自動人臉檢測識別系統(tǒng)，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(tǒng)的性能和工作穩(wěn)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(tǒng)。需要進一步改進是從系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)

    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(yōu)勢，石油行業(yè)對長距離輸油氣管道安全預警系統(tǒng)的需求主要有以下：（1）對管道周邊環(huán)境的長距離全天候的實時監(jiān)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(huán)境及新的破壞手段的自適應能力。根據已有的監(jiān)測系統(tǒng)，論文[8]提出長距離輸油氣管線安全預警系統(tǒng)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(tǒng)完成，該系統(tǒng)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(tǒng)的855主板，在此系統(tǒng)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(fā)往值守報警終端FU，FU為一塊運行嵌入式Linux系統(tǒng)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(jiān)控距離達400Km，可實現區(qū)域級的管道安全監(jiān)控與預警，通過FST的級聯可實現國家級覆蓋的管道安全監(jiān)控與預警。

2.2.3 DNA序列分析嵌入式系統(tǒng)

    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(fā)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(tài)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(tǒng) (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(tǒng)進一步發(fā)展的方向。微芯片與毛細管相比有許多優(yōu)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(yōu)化樣品的進樣量，降低電泳中的區(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)，實現多通道DNA快速并行檢測。DNA熒光信號采集系統(tǒng)中集成了嵌入式系統(tǒng)，實現系統(tǒng)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(huán)境感知系統(tǒng)

    以汽車電子控制系統(tǒng)作為實現模型的硬件平臺，符合汽車電子行業(yè)公認的OSEK標準的操作系統(tǒng)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(fā)中使用復雜事務模型時的模型綜合問題，包括分布式環(huán)境中多資源約束的模型綜合方法和能量節(jié)省的模型綜合方法，即基于模型汽車電子軟件開發(fā)環(huán)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(xù)時，事務的定時驗證方法，以滿足分布式環(huán)境中驗證定時約束的需要^[10] 。

3 嵌入式系統(tǒng)的架構

3.1 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件

    嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)成本與資源的作用^[11] 。目前基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)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(huán)境。軟件開發(fā)都使用GNU 或者GNU Pro 交叉編譯開發(fā)包，并且都有Linux 或者uClinux 操作系統(tǒng)的支持，因此軟件開發(fā)不需要重新學習新的開發(fā)環(huán)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(yī)療保險、金融、服務、零售業(yè)、運輸和政府等領域。嵌入式系統(tǒng)技術的技術動向：（l）對應用開發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(wèi)星定位及地理信息系統(tǒng)相結合，通過INTERNET、短信、Wap、Java，嵌入式系統(tǒng)等先進技術的組合集成產品也是現在很多IT公司研發(fā)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(yè)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(jiān)控，對各類企業(yè)的車輛安全、成本控制提供有效的保障。星網GPS智能監(jiān)控管理系統(tǒng)綜合應用了GPS全球衛(wèi)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(jiān)控、監(jiān)聽、調度、遠程控制、軌跡回放、信息發(fā)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(yè)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(tǒng)的優(yōu)化

    ScratchPad Memory是集成到芯片上的非cache用途的SRAM存儲器的統(tǒng)稱，利用ScratchPad Memory進行嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化：嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)化，通過對嵌入式操作系統(tǒng)中調度算法的改進，對嵌入式操作系統(tǒng)的進程調度模塊進行優(yōu)化，將進程調度模塊分配到 Scratchpad Memory上運行；將嵌入式操作系統(tǒng)微內核化，對微內核實行構件化，從而提高嵌入式操作系統(tǒng)的運行效率；多道程序共享ScratchPad Memory的優(yōu)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(yōu)化。通過操作系統(tǒng)專門的SeratchPad Memory管理器在多道程序之間進行協(xié)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(wěn)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(yōu)化，提升嵌入式系統(tǒng)的整體性能，將推動 ScratchPad Memory在嵌入式系統(tǒng)中的進一步研究和推廣^[7] 。 

3.3 嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設計

    目前，隨著嵌入式系統(tǒng)功能和復雜性的增大，嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設計方法學已是一個廣泛的研究課題，主要包括：系統(tǒng)建模、軟/硬件協(xié)同綜合、設計功能和性能指標評價技術、軟/硬件協(xié)同仿真、軟/硬件協(xié)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(fā)與硬件仍然密不可分，隨著人們對嵌入式系統(tǒng)的功能要求越來越復雜，從軟硬件系統(tǒng)與平臺選擇，設計，開發(fā)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(fā)己經成為一項很復雜的系統(tǒng)工程，因此嵌入式軟件的開發(fā)必須遵循系統(tǒng)工程和軟件工程的要求，并對高速增長的成本和電路系統(tǒng)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(tǒng)進行驗證，因而需要加強嵌入式軟件開發(fā)和外圍硬件設計階段之間的信息交流，強調虛擬系統(tǒng)集成(Vsl)技術協(xié)同設計和虛擬環(huán)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(tǒng)開發(fā)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(fā)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(tǒng)軟件體系結構開發(fā)結果對比表明，采用該軟件體系結構模型能提高軟件系統(tǒng)的開發(fā)效率和軟件質量。

4 嵌入式系統(tǒng)的性能

    快速性是系統(tǒng)實時能力的表現。當系統(tǒng)不能滿足實時性要求時，必須提高系統(tǒng)的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來系統(tǒng)的一些負面效應，如導致系統(tǒng)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(tǒng)時，在保證能滿足實時性要求的條件下，應使系統(tǒng)的運行速度降到最低，以滿足系統(tǒng)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(tǒng)中，有許多過程環(huán)節(jié)。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(tǒng)領帶的動態(tài)性密切相在，必須滿足由動態(tài)信號采集的實時性要求；而數據處理則會形成從動態(tài)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(yōu)秀的實時系統(tǒng)設計，必須研究系統(tǒng)中的每一個過程環(huán)節(jié)，滿足每一個過程環(huán)節(jié)和整個系統(tǒng)的最佳實時要求。

    嵌入式系統(tǒng)往往工作環(huán)境惡劣、受電噪聲干擾較大，而且隨著軟件越來越復雜，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的現象愈來愈嚴重，因此，可靠性已成為衡量嵌入式系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素，應把可靠性作為嵌入式系統(tǒng)最重要的指標優(yōu)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(tǒng)應用和若干技術進展，特別強調系統(tǒng)集成的觀點對嵌入式系統(tǒng)應用對象的選擇，以及嵌入式系統(tǒng)進行協(xié)調設計和網絡互聯等的貫穿思想，有助于嵌入式系統(tǒng)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(huán)境的搭建，使嵌入式系統(tǒng)在實際應用中有更好的發(fā)展前景。


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