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转 什么是嵌入式系统?  

2010-11-10 10:02:01|  分类: 嵌入式系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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无所不在的嵌入式系统

多年前,比尔.盖茨曾经预言,随着后PC时代的到来,PC将无处不在。今天,伴随着二十一世纪的曙光,嵌入式系统的迅猛发展正验证了比尔.盖茨的预言,人类正迎来一个充满希望的新时代——后PC时代。这是一个充满机遇的时代,这是一个充满商机的时代。人类在经历了桌面系统的空前繁荣之后,嵌入式系统的发展正风起云涌,广泛进入到工业,军事,通信,运输,金融,医疗,气象,农业等众多领域。

通常情况下,人们往往会忽视自己身边的嵌入式系统——比如手机,取款机或者电梯等等,在这些随处可见的设备中就存在嵌入式系统,有时人们经常使用嵌入在汽车,电梯,PDA,程控交换机等设备中的小巧的计算机系统,而对此毫无察觉。此外,嵌入式系统还经常在工业机器人,医疗设备,卫星,飞行系统等领域扮演着更为重要的角色。正是"看不见"和"无所不在"这样的特性使得嵌入式计算机系统有别于传统的计算机系统。

一、嵌入式系统简介

嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落,工业、服务业、消费电子……,而恰恰由于这种范围的扩大,使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。

举个简单例子:一个手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系统呢?答案肯定是“是”。另外一个PC104的微型工业控制计算机你会认为它是嵌入式系统吗?当然,也是,工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。然而比较两者,你也许会发现二者几乎完全不同,除了其中都嵌入有微处理器。那是否可以说嵌入着微处理器的设备就是嵌入式系统?那鼠标中也有单片机,能叫嵌入式系统嘛?

那到底什么是嵌入式系统?莫非嵌入式系统只是一个难以定义的抽象概念?

二、嵌入式系统的历史

虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的,但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器,微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

作为一个系统,往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟,嵌入式系统也不例外。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现,使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能:更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点,但是这时的应用只是使用8位的芯片,执行一些单线程的程序,还谈不上“系统”的概念。

提示:最早的单片机是Intel公司的 8048,它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05,Zilog公司推出了Z80系列,这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4 个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定 时 器。之后在80年代初,Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051,这在单片机的历史上是值得纪念的一页,迄今为止,51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片,在各种产品中有着非常广泛的应用。

从80年代早期开始,嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件,这使得可以获取更短的开发周期,更低的开发资金和更高的开发效率,“嵌入式系统”真正出现了。确切点说,这个时候的操作系统是一个实时核,这个实时核包含了许多传统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点:它们均采用占先式的调度,响应的时间很短,任务执行的时间可以确定;系统内核很小,具有可裁剪,可扩充和可移植性,可以移植到各种处理器上;较强的实时和可靠性,适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现,使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来,同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

90年代以后,随着对实时性要求的提高,软件规模不断上升,实时核逐渐发展为实时多任务操作系统(RTOS),并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景,开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外,还出现了Palm OS,WinCE,嵌入式Linux,Lynx,Nucleux,以及国内的Hopen,Delta Os等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔,相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。

在中国嵌入式系统领域,比较认同的嵌入式系统概念是:嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

三、嵌入式系统的应用领域

嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:

1、工业控制:基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中,网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言,低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展,32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心,在未来几年内必将获得长足的发展。

2、交通管理:在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用,内嵌GPS模块,GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元,就可以随时随地找到你的位置。

3、信息家电:这将称为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里,也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地。

4、家庭智能管理系统:水、电、煤气表的远程自动抄表,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查,并实现更高,更准确和更安全的性能。目前在服务领域,如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

5、POS网络及电子商务:公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统,公共电话卡发行系统,自动售货机,各种智能ATM终端将全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下。

6、环境工程与自然:水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。

7、机器人:嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

这些应用中,可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言,除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外,家电产品控制协议也需要制订和统一,这需要家电生产厂家来做。同样的道理,所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口,然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。

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