嵌入式系统技术及其应用

王明月 张德慧 魏铭

摘 要：近年来，各种各样的嵌入式系统大量应用到各个领域， 从国防武器设备、网络通信设备到智能仪器、日常消费电子设备， 再到生物微电子技术， 处处都可以见到嵌入式系统的身影，嵌入式产品已经渗透到人类社会生活的各个领域。嵌入式系统是计算机技术、自动控制技术以及现代网络与通信技术等高度融合的产物。

关键词：嵌入式系统

随着信息技术的高速进步， 嵌入式系统已经在许多领域得到了应用。嵌入式系统已经广泛地深入人们的日常生活 ，构建信息高速公路的各种网络设备， 如交换机、路由器和调制解调器都属于嵌入式系统； 各种汽车电子设备和信息家电（ Information Appliances）也大都为嵌入式系统， 如移动电话、网络可视电话、网络游戏机、商务通（PDA）、电视机顶盒、DVD播放机、电子阅读机等。

1.嵌入式系统的定义

根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂操作的装置。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。

2.嵌入式系统的特点

嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比具有以下特点：

（1）嵌入式系统是面向特定系统应用的。嵌入式处理器大多数是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点， 一般是包含各种外围设备接口的片上系统。

（2）嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业， 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。

（3）嵌入式系统的硬件和软件都必须具有高度可定制性。只有这样才能适应嵌入式系统应用的需要， 在产品价格性能等方面具备竞争力。

（4）嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后， 还可以进行软件升级， 它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。

（5）嵌入式系统不具备本地系统开发能力， 通常需要有一套专门的开发工具和环境。

（6）嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性存储器（ROM、 EPROM、EE-PROM和FLASH）芯片中。嵌入式系统开机后，必须有代码对系统进行初始化，以便其余的代码能够正常运行， 这就是建立运行时的环境。

3.嵌入式系统的分类

（1）按嵌入式微处理器的位数分类。

嵌入式系统可分为4位、8位、16位、32位和64位等，其中，4位、8位、16位嵌入密式系统已经获得了大量应用，32位嵌入式系统正成为主流发展趋势。

（2）按软件实时性需求分类。

嵌入式系统可分为非实时系统（如PDA）、软实时系统（如消费类产品）和硬实时系统（如工业实时控制系统）。实时系统并非是指“快速”的系统，而是指有限定的响应时间，从而使结果具有可预测性的系统。实时系统与其他普通的系统之间最大的不同之处就是要满足处理与时间的关系。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。大多数嵌入式系统都属于实时系统，根据实时性的强弱，可进一步分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时系统是指系统对响应时间有严格要求，如果不能满足响应时限，响应不及时或反应过早，都会引起系统崩溃或致命错误，甚至导致灾难性的后果。软实时系统是指系统对响应的时间有一定要求，如果在系统负荷较重的时候，响应时间不能满足，会导致系统性能退化，但不会造成太大的危害。

（3）按嵌入式系统的复杂程度分类。

嵌入式系统可分为小型嵌入式系统、中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统。

小型嵌入式系统是采用一个8位或者16位的微控制器设计的，硬件和软件复杂度很小，需要进行板级设计。当为这些系统开发嵌入式软件时，主要的编程工具是使用的微控制器或者处理器专用的编辑器、汇编器和交叉汇编器。通常利用C语言来开发这些系统。C程序被编译为匯编程序，然后将可执行代码存放到系统存储器的适当位置上。为了满足系统连续运行时的功耗限制，软件必须放置在存储器中。

中型嵌入式系统是采用一个16位或者32位的微控制器、DSP或者精简指令集计算机（RISC）设计的，其硬件和软件复杂度都比较大。对于复杂的软件设计，可以使用的编程工具包括RTOS、源代码设计工具、模拟器、调试器和集成开发环境（IDE）。软件工具还提供了硬件复杂性的解决方法。汇编器作为编程工具来说用处不大。中型嵌入式系统还可以运用已有的ASSP和IP来完成各种功能，例如，总线接口、加密、解密、离散余弦变换和逆变换、TCP/IP协议栈和网络连接功能（ASSP和TP可能还必须用系统软件进行适当的配置，才能集成到系统总线上）。

复杂嵌入式系统的软件和硬件都非常复杂，需要可升级的处理器或者可配置的处理器和可编程逻辑阵列。它们用于边缘应用，在这些应用中，需要硬件和软件协同设计，并且都集成到最终的系统中。但是，它们却受到硬件单元所提供的处理速度的限制。为了节约时间并提高运行速度，可以在硬件中实现一定的软件功能。

4.嵌入式系统的应用

（1）工业过程控制

工业过程控制即对工业生产过程中的生产流程加以控制。这种控制是建立在对被控对象和环境不断进行监控的基础上的。在控制过程中，嵌入式的计算机处于中心位置，它通过分布在工业生产中的各个传感器收集信息，并对这些信息进行加工处理和判断，然后向执行器件发出控制指令。目前，在工业控制和自动化行业中使用嵌入式系统非常普遍，例如，智能控制设备、智能仪表、现场总线设备、数控机床、机器人等。机器人是很复杂的嵌入式设备，甚至配置多个嵌入式处理器，各个处理器通过网络进行互连。

工业嵌入式系统的发展趋势是网络化、智能化和控制的分散化。

（2）网络通信设备

众多网络设备都是使用嵌入式系统的典型例子，如路由器、交换机、Web服务器、网络接入设备等。另外，在后PC时代将会产生比PC时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器。这些瘦服务器将为人们提供需要的各种信息，并通过Internet自动、实时、方便、简单地提供给需要这些信息的对象。设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已成为嵌入式系统的一大应用方向，这些设备为企业信息化提供了廉价的解决方案。

（3）消费电子产品

后PC时代的消费电子产品应具有强大的网络和多媒体处理能力、易用的界面和丰富的应用功能。这些特性的实现，都依赖于嵌入式系统提供的强大的数字处理能力和简洁实用的特性。作为移动计算设备的PCA和手机已融合在一起，提供给用户随时随地访问 Internet的能力。同时它还具有其他信息服务功能，如文字处理、邮件管理、个人事务管理和多媒体信息服务等，而且简单易用、价格低廉、维护简便。

信息电器是指所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子产品。它是嵌入式系统在消费类电子产品中的另一大应用。如果在冰箱、空调、监控器等家电设备中嵌入计算机并提供网络访问能力，用户就可以通过网络随时随地地了解家中的情况，并控制家中的相应电器。

（4）军事电子设备和现代武器

军事电子设备和现代武器是早期嵌入式系统的重要应用领域。军事领域从来就是许多高新技术的发源地，由于内装嵌入式计算机的设备反应速度快、自动化程度高，所以威力巨大，自然很得军方青睞。从“爱国者”导弹的制导系统到战斗机的瞄准器，从M1A2的火控系统到单兵系统的通信器，都可觅得嵌入式系统的踪迹。

总结：伴随着智能时代的到来，嵌入式系统技术成为一个越来越热门的领域。未来的几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱，我们有理由相信，未来的电子技术就是嵌入式系统技术的天下。

参考文献：

[1]申华. 嵌入式Linux系统软硬件开发及应用. 北京航空航天大学出版社. 2013

[2]朱珍民. 嵌入式实时操作系统及其应用开发. 北京邮电大学出版社. 2006