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1、始于微型机时代的嵌入式应用现代计算机技术的两大分支电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统。嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这是理解嵌入式系统的基本出发点。 由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因
2、此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。 技术要求技术发展方向通用计算机系统嵌入式计算机系统高速、海量的数值计算总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大对象的智能化控制能力与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、工控单元），无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。 嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系
3、统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代。通用计算机系统通用计算机系统 计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统 发展目标是单芯片化。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到
4、智能化的现代电子系统时代。现代计算机技术发展的两大分支的意义现代计算机技术发展的两大分支的意义形成了计算机发展的专业化分工将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。 嵌入式系统的含义及分类 嵌入式系统工业的特点嵌入式系统被定义为: 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,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。目前嵌入式系统除了部分为
5、32 位处理器外,大量存在的是8 位和16 位的嵌入式微控制器(MCU) ,嵌入式系统是计算机应用的另一种形态。目前根据发展现状,嵌入式计算机可以分成下面几类: (1) 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 (2) 嵌入式微控制器(Microcont
6、roller Unit , MCU) 嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某 一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、 Flash RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、串行口、脉宽调制输出、A/D等各种必要功能和外设。与嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 (3) 嵌入式DSP处理器( Embedded Digital SignalProcessor , EDSP) DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波
7、、FFT、谱分析等方面,DSP算法正在大量进入嵌入式领域,DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。(4) 嵌入式片上系统(System On Chip) 随着EDI的推广和VLSI设计的普及化,以及半导体工艺的迅速发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临, 这就是System On Chip(SOC) 。 (1) 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 从某种意义上来说,通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同,它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。(2)嵌入式系统是面向用
8、户，特定产品和具体应用领域嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,如果独立于应用自行发展,则会失去市场；嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约；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；嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。(3) 嵌入式系统对软件有高要求 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键,对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。软件要求固态化存储。软件代
9、码高质量、高可靠性系统软件(OS)的高实时性是基本要求多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 (4) 嵌入式系统开发需要特定的开发环境和开发工具 通用计算机具有完善的人机接口界面,在上面增加一些应用程序和开发环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。（5) 嵌入式系统软件需要RTOS 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API),应用程序的开发以及完成后的软件
10、都在操作系统(OS)平台上运行,但一般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS 开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。 (6) 嵌入式系统开发人员以应用专家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的,要求更多的计算机以外的专业知识,其开发人员往往是各个应用领域的专家。 嵌入式计算机技术的应用已影响到我们生活的方方面面, 几乎无处不在, 我们的移动电话、家用电
11、器、汽车等无不有它的踪影。嵌入式技术将使日常使用的设备具有智能, 使它们具备学习与记忆的能力, 能够按照使用者的喜好及所处的环境做出回答。 嵌入式控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点, 应用已深入到工业、农业、教育、国防以及日常生活等各个领域, 对各行各业产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。如果说推动数字革命的动力最早是大型机, 第二波动力是PC 机, 那么嵌入式技术便是推动数字革命的第三波动力。 嵌入式系统工业是专用计算机工业,其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用; 通用计算机的发展变为功能电脑,普遍进入社会,嵌入式计算机
12、发展的目标是专用电脑,实现“普遍化计算”,因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。 在4月12日的2010英特尔信息技术峰会“技术前瞻日”上，英特尔中国研究院公布了新的战略，宗旨是立足中国、服务中国，致力于打造世界一流的嵌入式系统研究院。 英特尔首席技术官在会上表示，英特尔中国研究院是去年10月份从原来的英特尔中国研究中心升级而来，成立后，“我们用了6个月的时间来探讨和确定英特尔中国研究院的研究方向。讨论的方向包括云计算、高性能计算、汽车、医疗保健、游戏等，但经过考察之后，我们发现这些都有一个共同的主题，就是嵌入式。为此，我们最终将嵌入式系统的前沿研究确定为英特尔中国研究院的新的
13、主攻方向。” 我国资深嵌入式系统专家沈绪榜院士的预言,“ 未来十年将会产生针头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片,将为我们提供无限的创造空间。嵌入式微控制器或者说单片机好像是一个黑洞,会把当今很多技术和成果吸引进来。中国应当注意发展智力密集型产业。” 物联网为人、机、物等3种对象的智慧型整合网路，强调个别物件的识别、定位、跟踪、监控与管理。物联网重视感、知、行三要素，藉由资讯採集、资讯阐述、资讯处理，进一步完成人与物、物与物间的智慧型沟通与控制。 物联网首先涉及的是自动识别技术，主要係以无线射频识别 (Radio Frequency Identification；RFID)技术为主。
14、RFID具标籤体积小、式样多、寿命长、安全性高等特色，其记忆体容量可达128Kbit，具可穿透式读写、多标籤同时读写、可重複读写等非接触式电子标籤识别功能。 嵌入式RFID应用一般是将RFID读写器(模组)包含在产品或系统中，以增加该产品或系统的RFID读写功能，如票卡感应匣门、图书馆自动化借书柜台、超市商品查询机等。在物联网的应用上，将出现许多整合温度、湿度、压力等环境参数的嵌入式RFID系统，如自动检测胎压及引擎温度的智慧型车机系统。将RFID标签嵌入感测器中，可用于监测不同位置的物理或环境状况(如声音、振动、移动或污染物等)。一、数字家庭概念 比尔盖茨曾给我们描述过一个用IT技术构筑的“
15、人间天堂”：每个房间都被无线智能化控制、自动根据人体调节室内最佳温度、语音控制房间内所有的电器，不用动手所有物品得心应手。这就是无线数字家庭的未来蓝图，尽管现在看来是那么遥不可及，但事实上，“数字家庭”正伴随着无线IT技术的发展向我们走来二、数字家庭应用方向 目前能实现的数字家庭应用方向主要有网络宽带、新潮电子、视听享乐、智能家居等。 网络宽带。网络宽带。网络宽带是数字家庭网络一大部分，网络宽带可以承载多样化的互联网服务，例如：网络互动、网络购物、网络电话。 视听享乐。视听享乐。数字家庭生活中最为突出的有家庭影院、bose类及Mini影院，家庭数字音响等。 新潮电子。新潮电子。各种各样的数字家
16、电产品，高科技含量高的产品。如可上网手机、网络MP3 、迷你版PS2游戏机、视像眼镜、智能洗衣机、会吹凉风的鼠标、停电保鲜冰箱、汽车电器等 智能家居。智能家居。包含可视门铃、 智能闹钟、智能化背景音乐、智能化窗帘等等。它以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化；集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 三、世界各国数字家庭发展现状三、世界各国数字家庭发展现状 根据各个不同的市场调查报告，数字家庭产业面临巨大的发展前景。在世界的各个国家，目前都对数字家庭和数字建设有很大的投入。美国基本上实现了有线数字电视的数字化；而日本厂商非常积极，应用于信息和家电
17、行业，他们在标准化方面非常活跃；韩国以政府的形式，成立了数字家庭促进委员会，并且形成了很多应用，开发了大量的游戏；在欧洲也提出了很明确的数字化目标，包括法国、爱尔兰、挪威、芬兰在2010年完成模拟电视向数字电视的转换。数字家庭标准化用户有一个巨大的发展，国内外这方面的发展呈现迅猛增长的趋势。 2010年，中国市场也将是数字家庭产业最具发展的市场之一。如何取悦用户，提供多样的数字服务？成为包括宽带网络、家庭网络平台及4C融合产品（个人电脑、消费电子、通信、内容）等数字家庭产业核心的共同目标。数字家庭市场调研显示：2009年仅数字电视所带来的相关设备的市场发展总规模在10,000亿元以上。为数字芯
18、片、智能家居集成、软件开发、网络设备、网络运营等方面的商家带来巨大商机。四、发展中的数字家庭技术四、发展中的数字家庭技术 从目前众多的数字家庭技术中来看，中国数字家庭行业不同时期的技术发展情况主要分为三种技术方案代表：基于PC架构的数字家庭技术基于单片机架构的数字家庭技术基于嵌入式架构的数字家庭技术 简单来说， PC架构的智能控制系统出现于中国数字家庭的萌芽阶段，基本上停留在向使用者展示数字家庭的概念，实用性不强，属于第一代。 目前，很多中国数字家庭厂商研制的基于单片机架构的智能控制系统在实用性、易用性和专业性方面有了很大程度上的提高，属于第二代。 基于嵌入式系统的数字家庭系统在国内虽然已经出
19、现，但是由于需求引导不足以及标准不统一，缺乏供智能家居产品使用和推广普及的平台，不过随着嵌入式技术更加广泛的应用，随着成本的逐步降低，中国的数字家庭最终将走向嵌入式。 五、嵌入式技术在数字家庭的应用 嵌入式技术的蓬勃兴起和无线技术的迅速发展为数字家庭行业指明了技术发展趋势，提供了技术革新的有利武器。 嵌入式技术协助社区中的数字家庭解决以下问题：防火防盗、煤气泄漏自动报警、可视门铃门镜系统、紧急呼叫、水电煤气自动抄送、IC卡智能车场管理、网上购物、网上求医、网上学校、老幼病人的远程看护、金融邮政交通信息查询、视频点播、多媒体通讯、高速Internet接入、Internet电话电视、视频会议、专业咨询服务等。 当前，人类已进入基于Internet的后PC时代，其主要特征为计算机作为组成成份紧密融于消费品和工业品中。后PC时代的到来完全依赖于嵌入式技术的诞生与发展。传统的IT设备逐渐转变为嵌入式设备，这是一个大趋势。在这个大趋势中，小到智能卡、手机、水表，大到信息家电、汽车，甚至飞机、宇宙飞船，我们的生活已经被嵌入式系统所包围。 曾 碧广东工业大学计算机学院