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嵌入式系统 发表评论(0) 编辑词条

中科永联高级技术培训中心(www.itisedu.com

      嵌入式系统ES)是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术,甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。 嵌入式系统不仅和一般的PC 机上的应用系统不同,就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单,且在兼容性方面要求不高,但是在大小,成本方面限制较多。 嵌入式计算机基本上不能算是嵌入式系统。它仍然是计算机一,不过是工作条件有所不同而已,因为它还保留了计算机的基本。

      嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化,类似与BIOS的工作方式。具有软件代码小,高度自动化,响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。

一、嵌入式系统回顾

      事实上,在很早以前,嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面,嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械电话交换的控制,当时被称为“存储式程序控制系统”(Stored Program Control)。

      嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月,Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起,推出了第一款微处理器Intel 4004,其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器,包括Intel 8080/8085、8086,Motorola 的6800、68000,以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统,广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场,计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品,再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板,从而构成专用的嵌入式计算机系统,并将其嵌入到自己的系统设备中。

      为灵活兼容考虑,出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后来人们可以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机,而是只要选择各功能模块,就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最适合的OEM产品,插入外购或自制的机箱中就形成新的系统,这样就希望插件是互相兼容的,也就导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus,1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。

      20世纪80年代可以说是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺水平的提高,集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中,从而制造出面向I/O设计的微控制器,也就是我们俗称的单片机,成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平,并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。

      20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下,嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30,引导着微控制器向32位高速智能化发展。在应用方面,掌上电脑、手持PC机、机顶盒技术相对成熟,发展也较为迅速。特别是掌上电脑,1997年在美国市场上掌上电脑不过四五个品牌,而1998年底,各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外,Nokia推出了智能电话,西门子推出了机顶盒,Wyse推出了智能终端,NS推出了WebPAD。装载在汽车上的小型电脑,不但可以控制汽车内的各种设备(如音响等),还可以与GPS连接,从而自动操控汽车。21世纪无疑是一个网络的时代,使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。在发展潜力巨大的“信息家电”中,人们非常关注的网络电话设备,即IP电话,就是一个代表。该设备可以简单到像普通电话一样,可它却是通过互联网来实现双方通话的,花市话的钱可以打长途电话!

二、嵌入式系统具备的特性

      (1)通常只执行特定功能,这一点与一般桌上型办公设备或数据库系统有很大区别。
      (2)以微电脑与周边器件构成核心,其规模可在大范围内变化,如从8051芯片到   x86芯片。
      (3)严格的时序和稳定性要求,这是因为在机器控制的大型系统中,程序运行稍有差错则可能使得整个系统失去控制,甚至酿成灾害。
      (4)全自动操作循环。

      嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体,它是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。一台通用计算机的外部设备中就包含了5~10个嵌入式微处理器,键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器进行控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面,嵌入式计算机都有用武之地。

      美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称,“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”,由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和广度。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言,4~5年以后嵌入式智能(电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。

三、嵌入式系统的特点

      (1)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。通用计算机行业中,占整个计算机行业90%的个人电脑产业,绝大部分采用的是Intel的x86体系结构,而芯片厂商则集中在Intel,AMD,Cyrix等几家公司,操作系统方面更是被微软占居垄断地位。但这样的情况却不会在嵌入式系统领域出现。这是一个分散的,充满竞争、机遇与创新的工业,没有哪个公司的操作系统和处理器能够垄断市场。

      (2)嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU与通用型CPU的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。通常,嵌入式系统CPU都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于整个系统设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率,去除冗余,针对用户的具体需求,对系统进行合理配置,才能达到理想性能。与此同时,系统设计还受市场供求关系的影响。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性,一个体系一般要存在8~10年的时间。一个体系结构及相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品合在一起,可以构成一套复杂的知识系统。

      (3)嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场,就具有较长的生命周期。

      (4)为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中,而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制,另外,由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性,因此对程序的质量,特别是可靠性,有着较高的要求。

      (5)嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后,用户如果需要修改其中的程序功能,也必须借助于一套开发工具和环境。

      (6)通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家,这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。

四、嵌入式系统组成

      嵌入式系统的组成软硬兼施,互利互惠,融为一体,成为产品。芯片加软件成为产品,但要开发工具辅助进行开发。

  嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣,去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中对处理器的选择面前更具有竞争力。 嵌入式系统组成:

  1、嵌入式芯片EMCU

   A、EMPU---嵌入式微处理器
   B、EMCU---嵌入式微控制器
   C、EDSP---嵌入式数字信号处理器
   D、ESOC,EPSOC---嵌入式片上系统,嵌入式可编程片上系统(系统芯片)

  2、嵌入式软件ESOFTWARE*-

   A、C++
   B、JAVA
   C、脚本语言(Script Langu- age)
   D、HOPEN
   E、JINI

  3、嵌入式操作系统(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

五、嵌入式系统开发工具

 1、国外市场

  A、实时在线仿真系统ICE(In-Circuit Emulator)(http://www.nohau.com
  B、高级语言编译器(Compi- ler Tools)(http://www.tasking.com)
  C、源程序模拟器(Simula- tor)(http://www.chiptools.comwww.keil.com)

 2. 国内市场-国外产品占领市场90 以上,目前国内产品占领市场很小,但正在新形势下兴起,很快进入市场。

六、嵌入式应用系统的突出特点:

 1、体小:一般为0.?厘米×0.?厘米的芯片
 2、量大:100K 掩模 ROM;100K-10K OTP.EPROM;10K以Flash,EEPROM.
 3、价低:最低0.5元,一般几元---几十元,最高-几百元。
 4、技高:0.25微米-0.1微米。晶体8-10-12英寸
 5、可靠,可承受高过载,高冲击及其它恶劣环境(如高低温)可靠性很重要。
 6、面广:非常广泛,想得到就办得到。
 7、投资大,工艺精,难度大。一个工厂就几十亿美元,建成体系并配套将达数千亿美元,并要经常维护,还有更新时间快。但收益快。
     8、软硬一体,软件为主。是嵌入式系统的主体。有IP核。
 9、有备份但无多余另部件。以达最低价格。
 10、技术融合是特点。集计算机,通信及其它高新技术于一体。

七、嵌入式系统的嵌入深度应有标准ED(Embedded Deep)

   嵌入式系统(ES)的嵌入深度ED=F(计算机大小;芯片工艺;系统复杂程度不同;使用环境条件;以及其它原因)
   嵌入深度是一个复杂的系统工程,但使用要求及技术发展成果,是第一位地因素。目前嵌入式芯片是决定因素,SOC是关键。
  因此,对嵌入式系统从不同观点去理解去观察,就有大不相同看法,但嵌入式系统的嵌入深度应有统一的标准。

  1、从MPU角度或PC微机角度:微处理器为核心-是浅嵌入式系统

   例如:PC104

   可分A;B;C;D四级,又可细分 1;2;3 三等。   即A1,A2,A3;B1,B2,B3;C1,

C2,C3;D1,D2,D3。   A1是最浅嵌入式系统----D3是最深嵌入式系统

  2、从MCU角度:微控制器为核心  

   可有:B1,B2,B3。  是中等嵌入式系统   例如:一般应用MCU组成的系统,但不包括应用8031,8032等无ROM的产品。

   3、从DSP角度:数字微处理器为核心

  可有:C1,C2,C3。   是中等嵌入式系统   例如:视情况而定。

   4、从SOC角度:片上系统为核心

   可有:D1,D2,D3。   是深嵌入式系统  

   嵌入式系统嵌入深度等级如下:

    A1:深度最浅,浅1
    A2:深度次浅,浅2
    A3:深度较浅,浅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:深度较深,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是从最浅到最深。

八、嵌入式系统应用情况

  1、国外情况

   A、美国:水平较高
   B、日本:较普及
   C、欧洲共同体:较好
   D、新加波:一般

  2、国内情况

   A、国内先进水平:一般
   B、台湾:较好
   C、香港:较高
   D、澳门:一般

九、嵌入式系统应用技术热点

  1、移动是当前电信发展方向和驱动力
  2、网络技术发展重要方向是宽度
  3、网络家电即将面市并走向世界
  4、在微电子机械(MEMS)中应用技术
  5、在国防工业中应用技术
  6、在生物微电子技术(DNA)中应用技术
  7、在电子商务中应用技术M
  8、在INTERNET中应用技术

十、嵌入式系统典型应用技术及实例

  01、在消费类电子产品中应用
  02、在兵器工业中应用
  03、在计算机外围中应用
  04、在DNA中应用*
  05、在移动电话中应用
  06、在国防工业中应用
  07、在安全系统中应用
  08、在智能家电中应用
  09、WAP中应用技术
  10、在智能机器人中应用
  11、在智能玩具中应用
  12、在MEMS中应用* (Microelectromechanical System)
  13、在农业技术中应用
  14、在多媒体中应用
  15、在智能金融器具中应用
  16、在车辆与交通工程中应用
  17、在导弹技术中应用
  18、在智能电表中应用
  19、在网络工程中应用
  20、在掌上电脑中应用
  21、在光学系统中应用
  22、在办公设备中应用
  23、在气象预报中应用
  24、在仪器仪表中应用
  25、在智能卡中应用
  26、在模糊控制中应用
  27、在模糊控制中应用
  28、在家庭智能中心系统中应用
  29、在智能监控系统中应用
  30、在楼宇对讲系统中应用
  31、在自动抄表系统中应用
  32、在IC卡停车场管理系统中应用
  33、在卫星通信网中应用
  34、在军事工业方面中应用
  35、在网络浏览器中应用 
  36、在智能传感器中应用
  37、在数字通信中应用
  38、在数据处理中应用
  39、在数据管理中应用
  40、在数据库中应用
  41、在数控技术(机床)中应用
  42、在AV产品中应用
  43、在DSP中应用
  44、在Internet中应用
  45、在舰艇战艇潜艇中应用
  46、在纳米技术中应用
  47、在电机控制-中应用技术

 

 

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