嵌入式之我見

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目前，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，不少人對什么是嵌入式系統(tǒng)不甚了解。有些人搞了十多年的單片機應(yīng)用，不知道單片機就是一個最典型的嵌入式系統(tǒng)；也有些人在解釋什么是嵌入式系統(tǒng)時，不是從定義出發(fā)，而是列舉了嵌入式系統(tǒng)的一些特點，往往不知所云。因此，有必要從現(xiàn)代計算的發(fā)展歷史，了解嵌入式系統(tǒng)的由來，從學(xué)科建設(shè)的角度來探討嵌入式系統(tǒng)較為確鑿的定義。

嵌入式計算機系統(tǒng)的出現(xiàn)，是現(xiàn)代計算機發(fā)展史上的里程碑事件。嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機時代，與通用計算機的發(fā)展道路完全不同，形成了獨立的單芯片的技術(shù)發(fā)展道路。由于嵌入式系統(tǒng)的誕生，現(xiàn)代計算機領(lǐng)域中出現(xiàn)了通用計算機與嵌入式計算機的兩大分支。不可兼顧的技術(shù)發(fā)展道路，形成了兩大分支的獨立發(fā)展道路：通用計算機依照高速、海量的技術(shù)發(fā)展；嵌入式計算機系統(tǒng)則為滿足對象系統(tǒng)嵌入式智能化控制要求發(fā)展。由于獨立的分工發(fā)展，20世紀(jì)末，現(xiàn)代計算機的兩大分支都得到了迅猛地發(fā)展。

說起CPU好多人都耳熟能詳，而對于嵌入式系統(tǒng)卻沒有足夠了解。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在每年只有10％～20％的計算機芯片是專為電腦設(shè)計，而每年近10～20億個CPU（80％～90％）或是SOC（系統(tǒng)級芯片）是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計制造的。

嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。在手機、MP3、PDA、數(shù)碼相機、電視機、洗衣機、微波爐、電話、防盜系統(tǒng)、空調(diào)機甚至電飯鍋、汽車導(dǎo)航、手表里都有嵌入式系統(tǒng)的身影，在工業(yè)自動化控制、儀器儀表、汽車、航空航天等領(lǐng)域更是嵌入式系統(tǒng)的天下。

舉簡單例子，消費者的手機能下載和播放MP3音樂及MPEG-4電影、高速瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、拍攝和顯示高明了度照片、收發(fā)多媒體郵件、玩互動多媒體游戲、在全球不同移動網(wǎng)中漫游、打可視電話，甚至在手機平臺上收看實時衛(wèi)星或地面DTV節(jié)目，手機從僅能打電話、發(fā)短信發(fā)展到現(xiàn)在，已增加了諸多功能，如彩信、音樂、攝影等，功能應(yīng)用多了，系統(tǒng)就變得繁雜，而嵌入式數(shù)據(jù)庫作為共用的數(shù)據(jù)管理模塊，實現(xiàn)了手機資源的共享。

以前手機軟件的數(shù)據(jù)管理模式是每項應(yīng)用需要自己定義、管理相關(guān)的數(shù)據(jù)，而如今已逐步趨向于用嵌入式數(shù)據(jù)庫作為共用的數(shù)據(jù)管理模塊以提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)手機資源（如影像、圖片等）共享，并保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。例如：假使有電話打入，手機屏幕上顯示的就不僅僅是一個電話號碼，還可以同步顯示出來電人的頭像、聲音等。嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，是以嵌入式處理器為中心，由存儲器、I/O設(shè)備、通信模塊以及電源等必要的輔助接口組成。嵌入式系統(tǒng)是量身定做的專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)，又不同于普通計算機組成，在實際應(yīng)用中的嵌入式系統(tǒng)硬件配置十分精簡，除了微處理器和基本的外圍

電路以外，其余的電路都可根據(jù)需要和成本進行裁剪、定制，十分經(jīng)濟、可靠。

嵌入式系統(tǒng)的硬件核心是嵌入式微處理器，有時為了提高系統(tǒng)的信息處理能力，常外接DSP和DSP協(xié)處理器（也可內(nèi)部集成），以完成高性能信號處理。

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展及納米芯片加工工藝技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的集成多種功能的SoC系統(tǒng)芯片已成為嵌入式系統(tǒng)的核心。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，要盡可能地滿足系統(tǒng)功能接口的SoC芯片。這些SoC集成了大量的外圍USB、UART、以太網(wǎng)、AD/DA、IIS等功能模塊。

可編程片上系統(tǒng)SOPC（SystemOnProgrammableChip）結(jié)合了SoC和PLD、FPGA各自的技術(shù)優(yōu)點，使得系統(tǒng)具有可編程的功能，是可編程規(guī)律器件在嵌入式應(yīng)用中的完美表達，極大地提高了系統(tǒng)的在線升級、換代能力。

以SoC/SOPC為核心，用最少的外圍部件和連接部件構(gòu)成一個應(yīng)用系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)的功能需求，這也是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個方向。因此，現(xiàn)代嵌入式設(shè)計是以處理器/SoC/SOPC為核心來完成系統(tǒng)設(shè)計的，其外圍接口包括存儲設(shè)備、通信擴展設(shè)備、擴展設(shè)備接口和輔助的機電設(shè)備（電源、連接器、傳感器等），構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

在設(shè)計一個簡單的應(yīng)用程序時，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計較繁雜的程序時，可能就需要一個操作系統(tǒng)（OS）來管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等。依據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來編寫應(yīng)用程序，可大大減少應(yīng)用程序員的負擔(dān)。

對于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般包含4個層面：設(shè)備驅(qū)動層、實時操作系統(tǒng)RTOS、應(yīng)用程序接口API層、實際應(yīng)用程序?qū)印Ｓ行畬?yīng)用程序接口API歸屬于OS層，嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，是按3層劃分的。由于硬件電路的可裁剪性和嵌入式系統(tǒng)本身的特點，其軟件部分也是可裁剪的。對于功能簡單，僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)，一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序。現(xiàn)代高性能嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，操作系統(tǒng)的使用成為必然發(fā)展趨勢。

嵌入式可應(yīng)用在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然、機器人等領(lǐng)域中。就遠程家電控制而言，除了開發(fā)出支持TCP/IP的嵌入系統(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)廠家來做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡(luò)的遠程控制協(xié)議也需要與嵌入式系統(tǒng)之間實現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來控制并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制。所以，開發(fā)和探試嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)時代〞向“物聯(lián)網(wǎng)時代〞的過渡，