無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng)

多年前，比爾.蓋茨曾經(jīng)預(yù)言，隨著后PC時(shí)代的到來(lái)，PC將無(wú)處不在。今天，伴隨著二十一世紀(jì)的曙光，嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展正驗(yàn)證了比爾.蓋茨的預(yù)言，人類正迎來(lái)一個(gè)充滿希望的新時(shí)代——后PC時(shí)代。這是一個(gè)充滿機(jī)遇的時(shí)代，這是一個(gè)充滿商機(jī)的時(shí)代。人類在經(jīng)歷了桌面系統(tǒng)的空前繁榮之后，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正風(fēng)起云涌，廣泛進(jìn)入到工業(yè)，軍事，通信，運(yùn)輸，金融，醫(yī)療，氣象，農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。

通常情況下，人們往往會(huì)忽視自己身邊的嵌入式系統(tǒng)——比如手機(jī)，取款機(jī)或者電梯等等，在這些隨處可見(jiàn)的設(shè)備中就存在嵌入式系統(tǒng)，有時(shí)人們經(jīng)常使用嵌入在汽車，電梯，PDA，程控交換機(jī)等設(shè)備中的小巧的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而對(duì)此毫無(wú)察覺(jué)。此外，嵌入式系統(tǒng)還經(jīng)常在工業(yè)機(jī)器人，醫(yī)療設(shè)備，衛(wèi)星，飛行系統(tǒng)等領(lǐng)域扮演著更為重要的角色。正是"看不見(jiàn)"和"無(wú)所不在"這樣的特性使得嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

一、嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個(gè)角落，工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子……，而恰恰由于這種范圍的擴(kuò)大，使得“嵌入式系統(tǒng)”更加難于明確定義。

舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：一個(gè)手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系統(tǒng)呢?答案肯定是“是”。另外一個(gè)PC104的微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)你會(huì)認(rèn)為它是嵌入式系統(tǒng)嗎?當(dāng)然，也是，工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域。然而比較兩者，你也許會(huì)發(fā)現(xiàn)二者幾乎完全不同，除了其中都嵌入有微處理器。那是否可以說(shuō)嵌入著微處理器的設(shè)備就是嵌入式系統(tǒng)?那鼠標(biāo)中也有單片機(jī)，能叫嵌入式系統(tǒng)嘛?

那到底什么是嵌入式系統(tǒng)?莫非嵌入式系統(tǒng)只是一個(gè)難以定義的抽象概念?

二、嵌入式系統(tǒng)的歷史

雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來(lái)的，但是這個(gè)概念并非新近才出現(xiàn)。從20世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史。

作為一個(gè)系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。

提示：最早的單片機(jī)是Intel公司的 8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時(shí)推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機(jī)均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4 個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、兩個(gè)16位定 時(shí) 器。之后在80年代初，Intel又進(jìn)一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051，這在單片機(jī)的歷史上是值得紀(jì)念的一頁(yè)，迄今為止，51系列的單片機(jī)仍然是最為成功的單片機(jī)芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。

從80年代早期開(kāi)始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開(kāi)始用商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開(kāi)發(fā)周期，更低的開(kāi)發(fā)資金和更高的開(kāi)發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。確切點(diǎn)說(shuō)，這個(gè)時(shí)候的操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)核，這個(gè)實(shí)時(shí)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。其中比較著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點(diǎn)：它們均采用占先式的調(diào)度，響應(yīng)的時(shí)間很短，任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間可以確定;系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁剪，可擴(kuò)充和可移植性，可以移植到各種處理器上;較強(qiáng)的實(shí)時(shí)和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。這些嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員得以從小范圍的開(kāi)發(fā)解放出來(lái)，同時(shí)也促使嵌入式有了更為廣闊的應(yīng)用空間。

90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開(kāi)始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國(guó)內(nèi)的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展前景日益廣闊，相信會(huì)有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現(xiàn)。

在中國(guó)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，比較認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

三、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括：

1、工業(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端型采用的往往是8位單片機(jī)。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來(lái)幾年內(nèi)必將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。

2、交通管理：在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測(cè)與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時(shí)隨地找到你的位置。

3、信息家電：這將稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過(guò)電話線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。

4、家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高，更準(zhǔn)確和更安全的性能。目前在服務(wù)領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等已經(jīng)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

5、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)：公共交通無(wú)接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發(fā)行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，自動(dòng)售貨機(jī)，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就可以行遍天下。

6、環(huán)境工程與自然：水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)測(cè)。

7、機(jī)器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

這些應(yīng)用中，可以著重于在控制方面的應(yīng)用。就遠(yuǎn)程家電控制而言，除了開(kāi)發(fā)出支持TCP/IP的嵌入式系統(tǒng)之外，家電產(chǎn)品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產(chǎn)廠家來(lái)做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來(lái)控制并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。所以，開(kāi)發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。