嵌入式系统若干技术的发展与趋势--控制网



嵌入式系统若干技术的发展与趋势
企业：控制网 日期：2009-06-07
领域：机器视觉 点击数：913









叶少珍（1963 -）
女，博士。现为福州大学数学与计算机科学学院教授，硕士生导师，福州大学数学与计算机科学学院计算机科学与技术系副主任。中国计算机学会高级会员第五届工控机专委会委员。

摘要：结合商业应用，本文分析并比较嵌入式系统的应用现状，简要介绍嵌入式系统在若干产业的应用实例。进一步从计算机学科的技术发展角度，对嵌入式系统硬件，软件，集成架构和安全可靠性能等方面进行了展望。

关键词：嵌入式系统；软硬件；集成架构；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

    信息和知识经济时代，使当今的计算机科学技术的发展越来越深入到国民生活的方方面面，特别高性能多核处理器、光纤与Myrinet等高速网络和高性能分布计算的标准工具推动了集群计算从高性能计算向高效能计算的转变。但如何管理调度庞大的资源集合，充分发挥每个部件的工作能力和降低系统耗能却成为亟待解决的问题，进一步如何使计算和通信无所不在并成为普通用户都能方便享用的服务，跨越移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件结构等多个研究领域的普适计算技术正在发挥着作用，当然还存在实现上下文感知和应用无缝迁移等问题需要解决。

    另一方面，利用通信、嵌入式计算和传感器等技术，人们研制出了各种具有感知、计算和通信等能力的微型传感器，通过这些无线传感器网络人们可以在任何时间、地点和任何环境条件下协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽准确的信息，传送到需要这些信息的用户。因此，这种网络系统被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。

    综上所述，嵌入式系统正是以其组网灵活﹑可靠性高﹑抗干扰能力强﹑低功耗和网络容量大等特点在计算机应用领域发挥着显著的作用，本文从商业应用层面小结嵌入式系统的应用研究现状，并结合计算机学科技术发展，从硬件，软件，集成架构和安全可靠性能等方面展望未来。

2 嵌入式系统以及应用现状

2.1 嵌入式系统与应用

    嵌入式系统是一种面向应用、功能定制、资源受限、响应要求高、性能稳定、无自举开发能力，由硬件和软件两部分构成的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，应用对象系统指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。按产品的构成方式主要有如下四类：嵌入式微处理器（(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)﹑嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)﹑嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)和嵌入式片上系统(System On Chip，SOC)。嵌入式系统总体特点：（l）嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业。（2 ）嵌入式系统是面向用户，特定种类的产品和具体领域应用。（3）嵌入式系统对软件要求高。一般固化在存储器芯片中，多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。（4）嵌入式系统开发需要特定的开发环境和开发工具。（5）嵌入式系统软件需要实时操作系统(RTOS)开发平台。（6）嵌入式系统开发人员以专家为主。开发人员需要和各个不同行业的应用结合，要求计算机专业以外的更多知识，往往是各个应用领域的专家[9]。

    目前，作为主流32位RISC嵌入式处理器，ARM（Advanced RISC Machines）以其高性能、低功耗的优势占据很大的市场份额。ARM处理器家族大致分为如下系列：ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore、strongARM、Xscale等。嵌入式操作系统除了通用操作系统的基本特点外，还满足嵌入式便携式设备所需的可裁剪性﹑可移植性﹑实时性和低资源占用性等特点，常用通用型嵌入式操作系统有Linux﹑VxWorks﹑Windows Embedded CE﹑PalmOS等，专用型嵌入式操作系统有Smart Phone﹑PocketPc﹑Symbian﹑Windows mobile等。国内凯思集团推出了“女蜗Hopen”已能支持所有主流的嵌入式芯片。嵌入式控制器体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到多个领域，其主要范围见表1[9]。

                                    表1   嵌入式系统的应用范围

应用领域
实例
家用市场
机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家庭网关、智能家用电器、车载导航系统等。
通信市场
电话交换系统、电缆系统、卫星和全球定位系统(GPS)、数据交换设备、移动电话等。
工业市场
制造工厂、自动化工厂、机器人系统等 。
商业金融市场
自动柜员机、信用卡系统、售货端系统、安全系统等。
办公市场
电话系统、传真系统、复印机、计时系统、照相机、摄像机等。
运输市场
航空、铁路、公路运输系统、燃料服务、航空管理、雷达系统、交通指挥系统、停车系统、售票系统、行李处理系统等。 
建筑市场
电力供应、备用电源和发电机、火警控制系统、电子门锁系统、安保系统、楼宇管理系统、闭路电视系统、电子保险柜等。   
医疗市场
心脏除颤器、心脏起搏器、患者信息监控系统、理疗控制系统、电磁成像系统等。 

2.2 嵌入式系统的实例

2.2.1 嵌入式人脸自动识别系统

    在智能家居或户外非布控点的嵌入式人脸识别系统中，相关研究人员采用Windows CE5.0操作系统和基于ARM微处理器的Liod开发平台硬件架构，以OpenCV为辅助开发工具实现了嵌入式自动人脸检测识别系统，设计中考虑嵌入式硬件设备、人脸样本的采集与筛选、识别算法等对嵌入式识别系统的性能和工作稳定性的影响。为解决在海量人脸库中进行识别的难题，设计实现了基于无线网络传输的远距离人脸识别系统。需要进一步改进是从系统设计角度由DSP芯片硬件完成人脸的检测和图像的预处理，改进人脸细节特征点描述，有效综合多种方法和其它生物特征的鉴别，可使嵌入式自动人脸识别系统达到低成本、低功耗、便携式等更好的目标[1][2] 。

2.2.2 分布式光纤管道安全监测系统

    管道输送是一种经济方便的运输方式，在石油和天然气运输中具有独特优势，石油行业对长距离输油气管道安全预警系统的需求主要有以下：（1）对管道周边环境的长距离全天候的实时监控；（2）传感器采集的数据有智能信息处理的能力；（3）对新的地质环境及新的破坏手段的自适应能力。根据已有的监测系统，论文[8]提出长距离输油气管线安全预警系统的实现模型，信号采集、光电转换以及PGC解调由分布式光纤光相位传感系统完成，该系统同时进行振动源定位。解调后的土壤振动信号经USB口传入一块运行嵌入式Windows XP系统的855主板，在此系统上运行的程序实现土壤振动信号的分析与破坏性行为的模式分类。分类后产生的报警信号经串口发往值守报警终端FU，FU为一块运行嵌入式Linux系统的ARM板卡。与此同时，振动片段的原始信号以及破坏性行为的识别结果将通过网口传往FST（服务器），在FST上。每个FST接收来自8个基站的信号，即对应8个FU和8块855主板，这样，每个FST的监控距离达400Km，可实现区域级的管道安全监控与预警，通过FST的级联可实现国家级覆盖的管道安全监控与预警。

2.2.3 DNA序列分析嵌入式系统

    二十世纪下半叶以来，分子生物学、分子遗传学和生物化学的迅猛发展，使人类对生命的认识逐步从器官、细胞水平深入到分子水平，DNA(脱氧核糖核酸)携带了生物体的基因信息，基因信息的提取即DNA测序，是现代分子生物学研究中的重要分支。从1986年美国能源部提出的人类基因组计划(Human Genome Project，HGP) [3]到进入后基因组时代，基因序列数据及蛋白序列数据正以前所未有的速度增长，人们对基因检测的需求越来越大，自二十世纪九十年代初开始的固态平板生物芯片技术、到基于毛细管电泳及微型全分析仪器系统 (micro total analytical system,μTAS)之上的现代检测技术[4] 。      

    基于微芯片的商品化DNA分析仪是DNA序列分析测定系统进一步发展的方向。微芯片与毛细管相比有许多优势：（l）可以在一块微芯片上一次同时制作多条通道，降低实现高通量并行检测的成本，且有利于大批量生产；（2）散热性好，提高电泳电压，降低所需分离长度，提高检测速度；（3）由于进样结构可以进行设计，优化样品的进样量，降低电泳中的区带展宽，提高电泳效率，且该结构使长DNA片断更容易进入微通道，从而提高其浓度，改善毛细管电泳中信号随着DNA片断长度增加而衰减的现象，从而提高信号的均匀性与信噪比；（4）微芯片尺寸小，形状固定，支承结构简单，有利于仪器的微型化；（5）微芯片的进样过程容易控制，更有利于系统自动化、智能化的实现；（6）易于与DNA检测中的样品处理步骤结合，形成集成化多功能的芯片实验室(Lab on a Chip)。研究人员使用嵌入式控制系统完成DNA分析仪的自动化控制操作和数据采集的功能，该系统核心器件为PhiliPs的LPC2142一个32/16位ARM7 TDMI-S CPU微控制器，四色16通道DNA荧光信号采集系统，通过振镜和自行设计的远心f-theta扫描物镜组成的光学扫描系统，实现多通道DNA快速并行检测。DNA荧光信号采集系统中集成了嵌入式系统，实现系统自动控制和与PC机的通信，采集到的DNA荧光信号图谱可以在PC机中实时显示，实测信噪比为26.91dB，达到国外同类产品的水平[5][6] 。

2.2.4 基于模型的汽车光纤传感智能环境感知系统

    以汽车电子控制系统作为实现模型的硬件平台，符合汽车电子行业公认的OSEK标准的操作系统作为实现模型的软件平台，研究人员研究在基于模型的汽车电子软件开发中使用复杂事务模型时的模型综合问题，包括分布式环境中多资源约束的模型综合方法和能量节省的模型综合方法，即基于模型汽车电子软件开发环境SmartOSEK IDE v3.5中模型综合的理论框架－MOSAES以及与MOSAES相关的模型：结构模型、平台模型、实现模型和约束模型等，该方法包括构件分配和实现模型生成两个阶段。首先，在满足处理器的计算资源、内存资源约束和保持计算密度平衡的条件下把构件分配到处理器上，然后以满足定时约束为目标生成实现模型。构件分配和实现模型生成是一个回溯的过程。此外，提出了混合调度方式和分组调度方式下，任务段之间不连续时，事务的定时验证方法，以满足分布式环境中验证定时约束的需要[10] 。

3 嵌入式系统的架构

3.1 嵌入式系统的软硬件

    嵌入式系统的核心是嵌入式数据处理硬件及与之配套的嵌入式软件，嵌入式系统的硬件可采用三种CPU方案满足不同要求，它们分别是：微控制器、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）以及专用集成电路（ASIC）。如今具有计算功能的芯片替代微控制器现场可编程逻辑门阵列（FPGA）以及专用集成电路（ASIC）都采用了硬件化的布尔逻辑算法并具有高度的适应性，能够实现相当丰富的逻辑功能。再者，它们都可通过诸如VHDL和Verilog之类的标准硬件描述语言（HDL）进行编程，不必动用由第三代或更高级编程语言编写的软件进行编程。一款FPGA平台适用于多种产品，从而起到了平衡开发成本与资源的作用[11] 。目前基于FPGA的嵌入式系统的设计比较有影响和特点的4款嵌入式CPU 软核分别是Nios/Nios2、MicroBlaze、Leon2/Leon3和OpenRISC1200，其中Nios 系列配置灵活，可满足大范围的速度、面积的需求；MicroBlaze 配置选项少，但是比相同功能的Nios 系列的性能要高一点；Leon 与主流通用CPU 兼容，因此软件资源丰富，主频一定时，性能可得到保证；OpenRISC 不与任何其它CPU 的指令集兼容，对用户自定义指令的支持很好，可应用在一些安全要求高的环境。软件开发都使用GNU 或者GNU Pro 交叉编译开发包，并且都有Linux 或者uClinux 操作系统的支持，因此软件开发不需要重新学习新的开发环境，并且有大量的免费、开源的资源。

    嵌入式软件的特征概括为四个字:“小”、“特”、“专”、“简”。嵌入式的支撑软件主要包括：嵌入式数据库、嵌入式调试软件等，在国外，Sybase在移动数据库领域占主导地位，应用于遍及医疗保险、金融、服务、零售业、运输和政府等领域。嵌入式系统技术的技术动向：（l）对应用开发提供强大支持，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器，如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。例如，诺基亚手机嵌入低功耗方位微处理器AMD ELAN486，并采用嵌入式操作系统ECOS；国产康佳手机也内置ARM7处理器，配用Nuclear RTOS。（2）为设备网络通信提供标准接口。（3）支持小型电子设备，实现小尺寸，微功耗和低成本。（4）提供精巧的多媒体人机界面。

    与互联网、移动无线网络、GPS卫星定位及地理信息系统相结合，通过INTERNET、短信、Wap、Java，嵌入式系统等先进技术的组合集成产品也是现在很多IT公司研发的主要方向，如中国移动通信集团福建有限公司物流通就是一个集GPS、LCS、GIS、GPRS、SMS等技术的综合性应用平台，为物流公司、配货站、公司车队、各种营运车辆及外出人员、私家车等车辆提供实时的位置信息，可以对车辆进行追踪、人员追踪、通过实时的位置，可以为企业提供高效的车辆调度。同时通过GPS终端的其它功能，对车辆起到有效的防盗作用，油耗监控，对各类企业的车辆安全、成本控制提供有效的保障。星网GPS智能监控管理系统综合应用了GPS全球卫星定位技术、GIS地理信息处理技术，提供基于GSM/GPRS/CDMA 模式的移动目标定位、监控、监听、调度、远程控制、轨迹回放、信息发布等服务，具有联网报警和求助等功能，能为移动车辆管理和行业应用提供了一整套完善的解决方案[12] 。

3.2 基于ScratchPad Memory嵌入式系统的优化

    ScratchPad Memory是集成到芯片上的非cache用途的SRAM存储器的统称，利用ScratchPad Memory进行嵌入式系统的优化：嵌入式操作系统优化，通过对嵌入式操作系统中调度算法的改进，对嵌入式操作系统的进程调度模块进行优化，将进程调度模块分配到 Scratchpad Memory上运行；将嵌入式操作系统微内核化，对微内核实行构件化，从而提高嵌入式操作系统的运行效率；多道程序共享ScratchPad Memory的优化。通过对嵌入式程序进行分析，生成存储对象。这些存储对象在运行时，可以被调度到 SeratchPad Memory上，利用 ScratchPad Memory的特点加快程序的运行速度，减少程序运行时的能耗；提出了面向MPSoC体系结构的SeratchPad Memory优化。通过操作系统专门的SeratchPad Memory管理器在多道程序之间进行协同，达到多道程序共享 Scratchpad Memory的目的。通过对程序的线程化，提高程序的并行性，同时，由于线程流水，存储对象将会相对稳定的驻留在 ScratchPad从而实现对程序运行加速的目标。总之通过基于 ScratchPad Memory的优化，提升嵌入式系统的整体性能，将推动 ScratchPad Memory在嵌入式系统中的进一步研究和推广[7] 。 

3.3 嵌入式系统软/硬件协同设计

    目前，随着嵌入式系统功能和复杂性的增大，嵌入式系统软/硬件协同设计方法学已是一个广泛的研究课题，主要包括：系统建模、软/硬件协同综合、设计功能和性能指标评价技术、软/硬件协同仿真、软/硬件协同验证、SoC测试调度技术等方面，并且还分为不同的设计层次。 

    嵌入式软件的开发与硬件仍然密不可分，随着人们对嵌入式系统的功能要求越来越复杂，从软硬件系统与平台选择，设计，开发到测试与集成，整个过程都是软硬件并行交互进行，这样嵌入式软件开发己经成为一项很复杂的系统工程，因此嵌入式软件的开发必须遵循系统工程和软件工程的要求，并对高速增长的成本和电路系统的复杂性以及市场所带来的时间压力，迫使设计者在设计期间就开始对系统进行验证，因而需要加强嵌入式软件开发和外围硬件设计阶段之间的信息交流，强调虚拟系统集成(Vsl)技术协同设计和虚拟环境的构造。

    论文[9]研究人员提出采用“面向方面技术  (Aspect Oriented Technofogy，AOT)”解决各构成要素间导致系统开发效率和软件质量低下的横断关系，定义了面向方面软件体系结构的基本构件及各构件间的连接器，进而提出了一种面向方面的嵌入式软件体系结构模型。并通过在自动售货机控制软件开发中的实际应用，说明了基于该模型的软件设计过程。与基于传统软件体系结构开发结果对比表明，采用该软件体系结构模型能提高软件系统的开发效率和软件质量。

4 嵌入式系统的性能

    快速性是系统实时能力的表现。当系统不能满足实时性要求时，必须提高系统的运行速度，然而，运行速度的提高必然带来系统的一些负面效应，如导致系统功耗加大、电磁兼容性下降。因此，在设计一个具体的嵌入式系统时，在保证能满足实时性要求的条件下，应使系统的运行速度降到最低，以满足系统在功耗、可靠性、电磁兼容性方面获得最佳的综合品质。在一个嵌入式应用系统中，有许多过程环节。例如，一个典型的智能仪表就有信号采集、数据处理、结果显示、键盘输入等过程。这些过程往往是在不同的时间与空间上进行，而且不同过程的实时性要求是不同的。键盘输入、结果显示是与人交互的，要满足人机交互的实时性要求；信号采集与对象系统领带的动态性密切相在，必须满足由动态信号采集的实时性要求；而数据处理则会形成从动态信号采集到结果显示的时间延迟，影响到结果显示的实时性要求。因此一个优秀的实时系统设计，必须研究系统中的每一个过程环节，满足每一个过程环节和整个系统的最佳实时要求。

    嵌入式系统往往工作环境恶劣、受电噪声干扰较大，而且随着软件越来越复杂，系统运行不稳定的现象愈来愈严重，因此，可靠性已成为衡量嵌入式系统优劣的重要因素，应把可靠性作为嵌入式系统最重要的指标优先考虑。具体包括架构的可靠性，网络的可靠性，数据的可靠性和人员的可靠性。      

5 结束语

    本文总结了嵌入式系统应用和若干技术进展，特别强调系统集成的观点对嵌入式系统应用对象的选择，以及嵌入式系统进行协调设计和网络互联等的贯穿思想，有助于嵌入式系统进行合理有较好性价比的软硬件分配，算法的选择，网络架构环境的搭建，使嵌入式系统在实际应用中有更好的发展前景。


参考文献

[1] 李外云，邱松，刘锦高. PXA255微处理器的同步串行控制器接口原理与应用程序设计[J]. 电子器件，2005，12.

[2] 李外云，王淑仙，刘锦高. 基于嵌入式Linux的便携式自动人脸检测与跟踪系统的应用研究[J]，微型电脑应用，2008，1.

[3] A.Manz，N.Graber，Widmer H M. Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing[J]. Sensor Actuat B一Chem，1990，l:244-248.

[4 符生苗. 分子医学诊断技术和进展[J]. 中国热带医学，2003，3(6):846-848.

[5] M.C.Giddings，J.Severin，M.WestPhall，J.Wu，and L.M.Smith. A software system for data analysis in atuomated DNA sequeneing[J]. Genome Research，1998，8:644-645.

[6] Wei Hu，Tianzhou Chen，Zhenjie He，Qingsong Shi.A Scalable Crytographic Library for Extensible Firmware Interface[J].WSEAS Transactions on Information Science and Applications，2007，4(6):1230-1235.

[7] 王立. 基于分布式光纤传感的智能环境感知技术研究[C]，博士论文，南开大学，2008，4.

[8] 邓阿群. 面向方面技术在大规模嵌入式软件中的应用[C]，博士论文，浙江大学，2007，10.

[9] 夏一行. 面向数字化仪器设备的嵌入式软件应用框架研究[C]，博士论文，浙江大学，2007，7.

[10] 高志刚. 基于模型的汽车电子软件综合方法研究[C]，博士论文，浙江大学，2008，1.

[11] http://www.orml.gov/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml..

[12] http://www.cechina.cn/.

[13] http://www.star-net.cn/gps/product.asp.
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