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嵌入式系統(ES)是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖象數據傳輸技術,甚至感測器等先進技術和具體應用對象相結合后的更新換代產品。因此往往是技術密集、投資強度大、高度分散、不斷創新的知識密集型系統。

1 嵌入式系統 -簡介

嵌入式系統 嵌入式系統

嵌入式系統反映當代最新技術的先進水平。嵌入式系統不僅和一般的PC 機上的應用系統不同,就是針對不同的具體應用而設計的嵌入式系統之間差別也很大。嵌入式系統一般功能單一、簡單,且在兼容性方面要求不高,但是在大小,成本方面限制較多。 嵌入式計算機基本上不能算是嵌入式系統。它仍然是計算機一類,不過是工作條件有所不同而已,因為它還保留了計算機的基本。

按照歷史性、本質性、普遍性要求,嵌入式系統應定義為:「嵌入到對象體系中的專用計算機系統」。「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。簡單的說就是系統的應用軟體與系統的硬體一體化,類似與BIOS的工作方式。具有軟體代碼小,高度自動化,響應速度快等特點。特別適合於要求實時的和多任務的體系。

2 嵌入式系統 -回顧

事實上,在很早以前,嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面,嵌入式系統在20世紀60年代就用於對電子機械電話交換的控制,當時被稱為「存儲式程序控制系統」(Stored Program Control)。

嵌入式計算機的真正發展是在微處理器問世之後。1971年11月,Intel公司成功地把算術運算器和控制器電路集成在一起,推出了第一款微處理器Intel 4004,其後各廠家陸續推出了許多8位、16位的微處理器,包括Intel 8080/8085、8086,Motorola 的6800、68000,以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構成的系統,廣泛地應用於儀器儀錶、醫療設備、機器人、家用電器等領域。微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場,計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產品,再由用戶根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板,從而構成專用的嵌入式計算機系統,並將其嵌入到自己的系統設備中。

為靈活兼容考慮,出現了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。後來人們可以不必從選擇晶元開始來設計一台專用的嵌入式計算機,而是只要選擇各功能模塊,就能夠組建一台專用計算機系統。用戶和開發者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產品,插入外購或自製的機箱中就形成新的系統,這樣就希望插件是互相兼容的,也就導致了工業控制微機系統匯流排的誕生。1976年Intel公司推出Multibus,1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡單STD匯流排廣泛應用於小型嵌入式系統。

20世紀80年代可以說是各種匯流排層出不窮、群雄並起的時代。隨著微電子工藝水平的提高,集成電路製造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O介面、A/D、D/A轉換、串列介面以及RAM、ROM等部件統統集成到一個VLSI中,從而製造出面向I/O設計的微控制器,也就是我們俗稱的單片機,成為嵌入式計算機系統異軍突起的一支新秀。其後發展的DSP產品則進一步提升了嵌入式計算機系統的技術水平,並迅速地滲入到消費電子、醫用電子、智能控制、通信電子、儀器儀錶、交通運輸等各種領域。

20世紀90年代,在分佈控制、柔性製造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下,嵌入式系統進一步加速發展。面向實時信號處理演算法的DSP產品向著高速、高精度、低功耗發展。Texas推出的第三代DSP晶元TMS320C30,引導著微控制器向32位高速智能化發展。在應用方面,掌上電腦、手持PC機、機頂盒技術相對成熟,發展也較為迅速。特別是掌上電腦,1997年在美國市場上掌上電腦不過四五個品牌,而1998年底,各式各樣的掌上電腦如雨後春筍般紛紛湧現出來。此外,Nokia推出了智能電話,西門子推出了機頂盒,wyse推出了智能終端,NS推出了WebPAD。裝載在汽車上的小型電腦,不但可以控制汽車內的各種設備(如音響等),還可以與GPS連接,從而自動操控汽車。21世紀無疑是一個網路的時代,使嵌入式計算機系統應用到各類網路中去也必然是嵌入式系統發展的重要方向。在發展潛力巨大的「信息家電」中,人們非常關注的網路電話設備,即IP電話,就是一個代表。該設備可以簡單到像普通電話一樣,可它卻是通過互聯網來實現雙方通話的,花市話的錢可以打長途電話!

3 嵌入式系統 -特性

(1)通常只執行特定功能,這一點與一般桌上型辦公設備或資料庫系統有很大區別。
(2)以微電腦與周邊器件構成核心,其規模可在大範圍內變化,如從8051晶元到   x86晶元。
(3)嚴格的時序和穩定性要求,這是因為在機器控制的大型系統中,程序運行稍有差錯則可能使得整個系統失去控制,甚至釀成災害。
(4)全自動操作循環。

嵌入式系統是電腦軟體與硬體的綜合體,它是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟硬體可裁剪,從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式計算機在應用數量上遠遠超過了各種通用計算機。一台通用計算機的外部設備中就包含了5~10個嵌入式微處理器,鍵盤、滑鼠、軟碟機、硬碟、顯示卡、顯示器、Modem、網卡、音效卡、印表機、掃描儀、數碼相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器進行控制的。在製造工業、過程式控制制、通信、儀器、儀錶、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面,嵌入式計算機都有用武之地。

美國汽車大王福特公司的高級經理曾宣稱,「福特出售的『計算能力』已超過了IBM」,由此可以想象嵌入式計算機工業的規模和廣度。美國著名未來學家尼葛洛龐帝1999年1月訪華時預言,4~5年以後嵌入式智能(電腦)工具將是PC和網際網路之後最偉大的發明。

4 嵌入式系統 -特點

(1)嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術以及電子技術與各個行業的具體應用相結合的產物,這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。通用計算機行業中,占整個計算機行業90%的個人電腦產業,絕大部分採用的是Intel的x86體系結構,而晶元廠商則集中在Intel,AMD,Cyrix等幾家公司,操作系統方面更是被微軟占居壟斷地位。但這樣的情況卻不會在嵌入式系統領域出現。這是一個分散的,充滿競爭、機遇與創新的工業,沒有哪個公司的操作系統和處理器能夠壟斷市場。

(2)嵌入式系統通常是面向用戶、面向產品、面向特定應用的。嵌入式系統中的CPU與通用型CPU的最大不同就是前者大多工作在為特定用戶群設計的系統中。通常,嵌入式系統CPU都具有低功耗、體積小、集成度高等特點,能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在晶元內部,從而有利於整個系統設計趨於小型化。在對嵌入式系統的硬體和軟體進行設計時必須重視效率,去除冗餘,針對用戶的具體需求,對系統進行合理配置,才能達到理想性能。與此同時,系統設計還受市場供求關係的影響。嵌入式處理器的發展也體現出穩定性,一個體系一般要存在8~10年的時間。一個體系結構及相關的片上外設、開發工具、庫函數、嵌入式應用產品合在一起,可以構成一套複雜的知識系統。

(3)嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起,其升級換代也是和具體產品同步進行的。因此嵌入式系統產品一旦進入市場,就具有較長的生命周期。

(4)為了提高執行速度和系統可靠性,嵌入式系統中的軟體一般都固化在存儲器晶元或單片機中,而不是存貯於磁碟等載體中。由於嵌入式系統的運算速度和存儲容量仍然存在一定程度的限制,另外,由於大部分嵌入式系統必須具有較高的實時性,因此對程序的質量,特別是可靠性,有著較高的要求。

(5)嵌入式系統本身並不具備在其上進行進一步開發的能力。在設計完成以後,用戶如果需要修改其中的程序功能,也必須藉助於一套開發工具和環境。

(6)通用計算機的開發人員通常是計算機科學或者計算機工程方面的專業人士,而嵌入式系統開發人員卻往往是各個應用領域中的專家,這就要求嵌入式系統所支持的開發工具易學、易用、可靠、高效。

5 嵌入式系統 -組成

 嵌入式系統的組成軟硬兼施,互利互惠,融為一體,成為產品。晶元加軟體成為產品,但要開發工具輔助進行開發。

嵌入式系統的硬體和軟體都必須高效率地設計,量體裁衣,去除冗餘,力爭在同樣的矽片面積上實現更高的性能,這樣才能在具體應用中對處理器的選擇面前更具有競爭力。 嵌入式系統組成:

1、嵌入式晶元EMCU

A、EMPU---嵌入式微處理器
B、EMCU---嵌入式微控制器
C、EDSP---嵌入式數字信號處理器
D、ESOC,EPSOC---嵌入式片上系統,嵌入式可編程片上系統(系統晶元)

2、嵌入式軟體ESOFTWARE*-

A、C++
B、JAVA
C、腳本語言(Script Langu- age)
D、HOPEN
E、JINI

3、嵌入式操作系統(RTOS)

A、VRTX
B、PSOS
C、VxWork,WINCE,EPOC
D、LINUX
E、PALM
F、OS-9
G、JAVA CHORUS OS
H、QN-X
I、NAVIO

6 嵌入式系統 -開發工具

1、國外市場

A、實時在線模擬系統ICE(In-Circuit Emulator)(http://www.nohau.com
B、高級語言編譯器(Compi- ler Tools)(http://www.tasking.com)
C、源程序模擬器(Simula- tor)(http://www.chiptools.comwww.keil.com)

2. 國內市場-國外產品佔領市場90 以上,目前國內產品佔領市場很小,但正在新形勢下興起,很快進入市場。

7 嵌入式系統 -突出特點

1、體小:一般為0.?厘米×0.?厘米的晶元
2、量大:100K 掩模 ROM;100K-10K OTP.EPROM;10K以Flash,EEPROM.
3、價低:最低0.5元,一般幾元---幾十元,最高-幾百元。
4、技高:0.25微米-0.1微米。晶體8-10-12英寸
5、可靠,可承受高過載,高衝擊及其它惡劣環境(如高低溫)可靠性很重要。
6、面廣:非常廣泛,想得到就辦得到。
7、投資大,工藝精,難度大。一個工廠就幾十億美元,建成體系並配套將達數千億美元,並要經常維護,還有更新時間快。但收益快。
8、軟硬一體,軟體為主。是嵌入式系統的主體。有IP核。
9、有備份但無多餘另部件。以達最低價格。
10、技術融合是特點。集計算機,通信及其它高新技術於一體。

8 嵌入式系統 -嵌入深度應有標準ED

(Embedded Deep)

嵌入式系統(ES)的嵌入深度ED=F(計算機大小;晶元工藝;系統複雜程度不同;使用環境條件;以及其它原因)
嵌入深度是一個複雜的系統工程,但使用要求及技術發展成果,是第一位地因素。目前嵌入式晶元是決定因素,SOC是關鍵。 
因此,對嵌入式系統從不同觀點去理解去觀察,就有大不相同看法,但嵌入式系統的嵌入深度應有統一的標準。

1、從MPU角度或PC微機角度:微處理器為核心-是淺嵌入式系統

例如:PC104

可分A;B;C;D四級,又可細分 1;2;3 三等。   即A1,A2,A3;B1,B2,B3;C1,

C2,C3;D1,D2,D3。   A1是最淺嵌入式系統----D3是最深嵌入式系統

2、從MCU角度:微控制器為核心  

 可有:B1,B2,B3。  是中等嵌入式系統   例如:一般應用MCU組成的系統,但不包括應用8031,8032等無ROM的產品。

3、從DSP角度:數字微處理器為核心

可有:C1,C2,C3。   是中等嵌入式系統   例如:視情況而定。

4、從SOC角度:片上系統為核心

可有:D1,D2,D3。   是深嵌入式系統  

嵌入式系統嵌入深度等級如下:

    A1:深度最淺,淺1
    A2:深度次淺,淺2
    A3:深度較淺,淺3
    B1:深度中等1,中1
    B2:深度中等2,中2
    B3:深度中等3,中3
    C1:深度中等1,中1
    C2:深度中等2,中2
    C3:深度中等3,中3
    D1:深度較深,深1
    D2:深度次深,深2
    D3:深度最深,深3

即1;2;3;4;5;6;7;8;9。 注意:1到9是從最淺到最深。

9 嵌入式系統 -應用情況

1、國外情況

A、美國:水平較高
B、日本:較普及
C、歐洲共同體:較好
D、新加波:一般

2、國內情況

A、國內先進水平:一般
B、台灣:較好
C、香港:較高
D、澳門:一般

10 嵌入式系統 -應用技術熱點

1、移動是當前電信發展方向和驅動力
2、網路技術發展重要方向是寬度
3、網路家電即將面市並走向世界
4、在微電子機械(MEMS)中應用技術
5、在國防工業中應用技術
6、在生物微電子技術(DNA)中應用技術
7、在電子商務中應用技術M
8、在INTERNET中應用技術

11 嵌入式系統 -嵌入式系統典型應用技術及實例.

01、在消費類電子產品中應用
02、在兵器工業中應用
03、在計算機外圍中應用
04、在DNA中應用*
05、在行動電話中應用
06、在國防工業中應用
07、在安全系統中應用
08、在智能家電中應用
09、WAP中應用技術
10、在智能機器人中應用
11、在智能玩具中應用
12、在MEMS中應用* (Microelectromechanical System)
13、在農業技術中應用
14、在多媒體中應用
15、在智能金融器具中應用
16、在車輛與交通工程中應用
17、在導彈技術中應用
18、在智能電錶中應用
19、在網路工程中應用
20、在掌上電腦中應用
21、在光學系統中應用
22、在辦公設備中應用
23、在氣象預報中應用
24、在儀器儀錶中應用
25、在智能卡中應用
26、在模糊控制中應用
27、在模糊控制中應用
28、在家庭智能中心繫統中應用
29、在智能監控系統中應用
30、在樓宇對講系統中應用
31、在自動抄表系統中應用
32、在IC卡停車場管理系統中應用
33、在衛星通信網中應用
34、在軍事工業方面中應用
35、在網路瀏覽器中應用 
36、在智能感測器中應用
37、在數字通信中應用
38、在數據處理中應用
39、在數據管理中應用
40、在資料庫中應用
41、在數控技術(機床)中應用
42、在AV產品中應用
43、在DSP中應用
44、在Internet中應用
45、在艦艇戰艇潛艇中應用
46、在納米技術中應用
47、在電機控制-中應用技術

嵌入式系統技術服務企業:

矽谷芯微技術中心,專註於嵌入式系統方面的技術服務. 

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