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1  嵌入式系统是信息技术发展的产物

1.1  什么是嵌入式系统

    嵌入式系统是以应用为中心，整合了计算机软件，硬件技术，通讯技术和微电子技术，以“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到应用系统的设备中，适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

对嵌入式系统较全面地理解应当从以下3方面来认识：

    (1)  硬件应由嵌入式处理器做基础平台；
    (2)  软件应由嵌入式软件为运行平台；
    (3)  形式应是嵌入在设备中，各种设备有不同的外形及相应附属配件，它只不过是其中的一个控制核心部件。

1.2  嵌入式处理器

嵌入式处理器的体系架构可分为3种形式：

    (1)  IP（Intellectual Property）级架构
    也就是片上系统SoC（System on Chip）形式，即是依设备功能的需求，将不同的IP单元，集成在一块芯片中，它包含有处理器功能，I/O接口功能及嵌入式软件功能。

    (2)  芯片级架构
    MCU、MPU、DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）、RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）等芯片，并将RAM、ROM（EPROM/ EEPROM/ Flash）及I/O接口芯片等组成相应的嵌入式系统，相应的系统软件，应用软件是以固件形式固化在电子盘中，这是目前常用的嵌入式系统的架构方式。

•  MCU、MPU属于单片机系列。
•  DSP具有数字信号处理能力强，特别适合于声音、图像等多媒体信息系统，但是其常规处理能力不强，寻址范围有限，I/O功能弱及开发平台问题，较少单独作为嵌入式系统的处理器，而是与嵌入式处理器相结合，构成更强大的功能。
•  RISC型处理器具有结构简单，处理速度快和处理功能强等优点，因此，新型的嵌入式系统大多数采用RISC处理器，这种处理器目前典型的代表是ARM架构处理器，世界上许多公司均基于ARM架构开发出相应的微处理器芯片，如：

ATMEL公司：AT91系列MCU（采用ARM7TDMI内核）。
Intel公司：SA-1110微处理器MPU（采用Strong ARM核）。
Cirros公司：EP及CL-PS系列手持式计算机产品的MPU（采用ARM720T核）。
Linkup Systems公司：L720互联网处理器（采用ARM720T）。
Sharp公司：LH77790手持式产品中的MPU（采用ARM 7TD内核）。
其他如Hyundai公司、OKI公司、Rohm公司、Samsung公司、Netsilicom公司等，其产品中均采用ARM内核。

•  Xscale：是另外一种新型的微架构处理器，它是新一代为无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器，是PCA开发式平台架构中应用于子系统与通讯子系统中的嵌入式处理器。

(3)  ×86处理器嵌入到应用系统中

    这样可充分利用PC机的通用性和便利性，采用嵌入式操作系统，并且将操作系统和应用软件均固化在固态电子盘中，以缩小体积，增加可靠性。典型的产品有深圳市研祥智能科技股份有限公司的嵌入式CPU卡及威盛电子股份有限公司的C3 CPU卡。

1.3  嵌入式操作系统

由于嵌入式操作系统要固化在电子盘中，因而它应具备以下特点：

    (1)  代码容量小，一般核代码在几K或稍高些；总代码容量希望小于64K；
    (2)  面向应用，根据用户功能要求配置中间件，可裁剪，可移植；
    (3)  实时性强，许多应用中要求相应速度块，实时处理能力强，往往要求实时嵌入式操作系统；
    (4)  可靠性高，无病毒等问题。

嵌入式操作系统依应用对象不同，大致可分为以下几类：

    (1)  基于与Windows兼容的如：嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等；
    (2)  工业与通讯类：VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；
    (3)  单片机类：IRMX、CMX、MC/OS等；
    (4)  面向Internet类：Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。

1.4  嵌入式系统形式
    嵌入式模块应当是体积小、功耗低、易于嵌入到各种应用设备中，模块外形可依设备需求而异，符合“量体裁衣”的原则，按需定制、按需配置、按需重构。

1.5  嵌入式系统特点

    (1)  功能适用，够用；
    (2)  可靠性高，无病毒，存储介质无机械硬盘，抗干扰能力强；
    (3)  体积和尺寸小；
    (4)  功耗低，无需散热风扇，无噪音；
    (5)  价格低，市场竞争力强；
    (6)  环境适应性强；
    (7)  操作使用人性化、仪表化；
    (8)  有多种类型的软件、硬件支持平台；
    (9)  无需经常更新换代；
    (10)  可充分发挥设计者的才能，创造出更好的产品。

2  嵌入式系统促进工业自动化装备的发展

    嵌入式系统应用范围十分广泛，可应用于各行各业，它是信息化建设的基石，如果说PC机在过去几年的发展是一支独秀，今天嵌入式系统的应用则是百花齐放。

    它可应用于制造工业、仪器仪表过程控制、信息化教育、信息家电、通讯、楼宇智能化、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、商用POS和税控收款机、消费类产品等领域。

    嵌入式技术有力地促进了工业自动化装备地发展，在仪器仪表领域；智能化仪表在许多方面均是应用嵌入式技术，如医疗仪器、分析仪器、温度仪表、流量仪表、记录仪等。

在工业自动化领域；嵌入式系统地应用产品可分为4个方面：

(1)  智能传感器
    工业测量中的温度、流量、压力、液位、声音等传感器，采用嵌入式技术后，可实现信号处理，非线性校正、温度补偿、公式运算、量程变换、数字信号输出、满足现场总线的数据传输。

(2)  信号变化单元

    目前很多信号变换模块采用了微处理器，如“亚当”系列信号变换模块；具有RS-232转换RS-422/485模块；模拟量模块；开关量和计数器模块；嵌入式控制模块；Internet嵌入式控制器模块等。

(3)  现场控制器

    现场控制器包括DAS（数据采集器）、DDC（直接数字控制器）、PLC（可编程控制器）、模糊控制器、协调控制器及多功能控制器等。以往均采用工业PC及插入相应的I/O卡进行处理，带来了硬盘可靠性、病毒、操作系统稳定性等问题，从而影响了系统可靠性。笔者认为嵌入式系统最适合这一级的产品技术，采用嵌入式现场控制器，用固态盘代替硬盘，用嵌入式操作系统代替传统的Windows98/2000操作系统，并将操作系统，应用组态软件固化，从而产生了新一代嵌入式现场控制器，它将极大地提高系统可靠性，缩小了体积，减少了成本，增强了抗病毒和抗干扰能力，适用于工业现场的恶劣环境。

(4)  嵌入式工控机

    近几年来，嵌入式工控机随着嵌入式技术的发展也应运而生，它分2个方面的应用。

    一是嵌入式工控卡：如嵌入式Compact PCI卡、嵌入式2.5英寸单板计算机卡、嵌入式3.5英寸单板计算机卡、嵌入式POS和NET卡等。

    二是嵌入式工控机：最近许多公司推出了嵌入式工控机，采用嵌入式CPU、嵌入式操作系统Linux或Windows CE、各类嵌入式I/O模块、从而构成体积小，可靠性高的新型工控机。

3  嵌入式系统给多媒体教育系统带来了生动的活力

    近二年，多媒体教育系统发展迅速，包括多媒体教室、中控系统、语音教室、视频会议系统等，突出一点是许多多媒体教育系统采用了嵌入式系统，替代了采用传统PC机作为教育终端机。这主要是因为传统PC机式的终端机存在着PC机所有的缺点，如病毒侵入、可靠性问题、死机现象、维护问题、操作方式不便缺乏人性化等。而采用嵌入式教育终端机则克服了上述PC机终端机的不足，大大增强了系统可靠性，使用的方便性及免维护性等。北京中庆现代技术有限公司推出的嵌入式网络教育专用计算机（终端机）是一个十分典型的嵌入式系统应用产品。嵌入式CPU采用×86，另外具有4个DSP芯片，作为专用数据处理器，每个处理器速度都在1G以上，分别处理视频图像信息、音频信息、网络通讯及人机交互信息，嵌入式CPU只用于控制、分配任务、操作系统采用嵌入式操作系统VxWorks，很好地将嵌入式技术融入多媒体教育系统中。

    嵌入式网络教学终端机具有独立地IP地址，与标准计算机一道在校园网络中任意漫游，较好地解决了“校校通”问题，使教育终端机进入各教室，对教室内电视机、音箱及摄像机、云台等设备进行管理和使用。嵌入式网络教学计算机的特点如下：

    (1)  构建于Internet技术的标准网络产品：内置10/100M自适应以太网接口，采用TCP/IP通讯协议；
    (2)  完全数字化：处理音频、视频、课件等多媒体数据，采用MPEG2格式在网络中传输；
    (3)  强大的音、视频处理能力；
    (4)  采用Client/Sever技术：与服务器协同计算，进一步加强了多媒体处理能力；
    (5)  丰富的软件支持、易于操作的人机界面：方便地实现VOD视频点播、MOD教学课件点播、AOD音频点播和广播、以及管理软件、教学软件等；
    (6)  智能的网络流量控制技术：采用MPEG编码技术和自适应的网络带宽分配技术，可以在有限的网络带宽内容纳更多的多媒体数据；
    (7)  内嵌先进的视频处理转换模块；可以输出CVBS、S-Video和VGA三种视频格式；
    (8)  优良的播放效果：采用数字化技术，减少音、视频信号的失真；
    (9)  强大的功能：支持课件播放、远程听课、标准化考场、一键上课、一键上网、统一的课件资源管理、同时并发点播等功能；
    (10)  很高的可靠性：采用Flash盘不会损坏，采用嵌入式软件免受病毒困扰，坚固的壁挂式结构，免招学生触摸或自行卸拆；
    (11)  遥控器一键式功能操作，使教师操作简单，并可在教室范围内走动随时随地随讲进行操作。

    上述例子充分说明了嵌入式系统不仅仅是执行一些简单的功能，而且能够实现很强的功能，充分体现了嵌入式系统给多媒体教育系统和教育信息化带来了充分的活力和无限的生机。


4  嵌入式系统是信息化社会不可分割的部分嵌入式系统是构建21世纪和谐社会的信息细胞。

4.1  信息化社会要构建数字城市、智能城市均离不开嵌入式系统技术，如交通智能化离不开智能终端。


    商业领域：POS机、税控收款机、彩票投主机、银税一体机、其控制器本身均采用嵌入式系统产品；
    信息家电：数字家电、数字机顶盒、家庭网络等；
    汽车电子：控制系统、黑盒子（行驶记录仪）、电子地图等；
    军事：航空、航天、指挥仪、坦克内部装配等；
    通讯：PDA、手机、通讯控制器、安全检测器、防火墙、交换机、路由器等；
    嵌入式网络计算机NC：近年来正迅速发展，称作为后PC时代的产品，主要是基础平台正是嵌入式技术，采用Windows CE或Linux嵌入式操作系统，CPU采用国产方舟二号芯片或×86系列芯片。

4.2  从e到u的信息细胞

    在现今全球信息化的环境中，导入信息化事物往往扣上字母e，如：e-business（电子商务）、e-government（电子政务）、e-market（电子市场）等。

    但随着无所不在的运算（ubiguitous computing）及移动通信技术的发展，人们逐渐将u（ubiguitous，意指“无所不在”）来取代e，各国均从u作为国家信息化的发展战略，如：u-Japan，u-Korea计划。

    人们将从构建和谐社会，经济发展为基点，充分发展信息化，u计划可作为借鉴。u计划的发展正是嵌入式系统用武之地，构成u计划的信息细胞。

5  嵌入式系统与Internet网络技术的结合，给国际信息化事业带来益处

    Internet现已成为国际社会重要的基础信息设施，是信息流通的重要渠道，将嵌入式系统能连接到Internet上面，则可以方便、低廉地信息传送到几乎世界上地任何一个地方，专家们预测2000～2010年是嵌入式Internet时代，它将给地球披上“电子皮肤”。嵌入式片上系统（SoC）成为瘦服务器，在这一时代将会产生比PC时代多成百上千倍地瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器将与世界上各种物理信息、生物信息、社会信息相联接，通过Internet网自动、实时、方便、简单地提供给需要这些信息地对象。

    下一代网络设备中嵌入式系统设备将大大增加，约70%为嵌入式设备，并与Internet相联。

    嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。未来10年将会产生针头大小、具有超过1亿次运算能力地嵌入式智能芯片，将为人们创造出无限地创造空间，新的嵌入式系统时代即将来临。