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無所不在的嵌(qian)入式(shi)系統

多(duo)(duo)年前，比爾(er).蓋茨曾經預(yu)言，隨著后PC時代(dai)的(de)到來，PC將無處不在(zai)。今天(tian)，伴隨著二十一(yi)(yi)世紀的(de)曙光，嵌入式(shi)(shi)系統(tong)的(de)迅猛(meng)發(fa)(fa)展正(zheng)驗證了比爾(er).蓋茨的(de)預(yu)言，人類正(zheng)迎來一(yi)(yi)個充(chong)滿(man)希望的(de)新時代(dai)——后PC時代(dai)。這是(shi)一(yi)(yi)個充(chong)滿(man)機(ji)遇的(de)時代(dai)，這是(shi)一(yi)(yi)個充(chong)滿(man)商(shang)機(ji)的(de)時代(dai)。人類在(zai)經歷了桌面系統(tong)的(de)空(kong)前繁榮之后，嵌入式(shi)(shi)系統(tong)的(de)發(fa)(fa)展正(zheng)風(feng)起(qi)云涌，廣泛進入到工業，軍事(shi)，通信(xin)，運輸，金融(rong)，醫療，氣(qi)象，農業等眾多(duo)(duo)領域。

通常(chang)情(qing)況下，人們往(wang)往(wang)會忽(hu)視自(zi)己身邊的(de)(de)嵌(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)——比如手機，取款(kuan)機或者電(dian)梯等等，在(zai)這些(xie)隨處(chu)可見(jian)的(de)(de)設(she)(she)備(bei)中就存在(zai)嵌(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，有(you)時人們經(jing)常(chang)使(shi)用嵌(qian)入(ru)在(zai)汽(qi)車，電(dian)梯，PDA，程控交換(huan)機等設(she)(she)備(bei)中的(de)(de)小巧的(de)(de)計(ji)(ji)算機系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，而(er)對此(ci)毫(hao)無(wu)(wu)察覺。此(ci)外，嵌(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)還經(jing)常(chang)在(zai)工業機器人，醫療(liao)設(she)(she)備(bei)，衛星，飛行系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)等領域(yu)扮(ban)演著更為重要的(de)(de)角色。正(zheng)是"看不(bu)見(jian)"和"無(wu)(wu)所不(bu)在(zai)"這樣的(de)(de)特(te)性(xing)使(shi)得嵌(qian)入(ru)式計(ji)(ji)算機系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)有(you)別于傳統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)計(ji)(ji)算機系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。

一、嵌入式系(xi)統簡介

嵌(qian)入式(shi)系統(tong)(tong)本身是一(yi)個相對模(mo)糊的定義。目前嵌(qian)入式(shi)系統(tong)(tong)已經滲透到我(wo)們(men)生活中的每個角落(luo)，工業(ye)、服務業(ye)、消費電子……，而恰(qia)恰(qia)由于這種范圍的擴大，使(shi)得“嵌(qian)入式(shi)系統(tong)(tong)”更加難于明(ming)確定義。

舉個(ge)(ge)簡單(dan)例子：一個(ge)(ge)手持的(de)mp3是(shi)(shi)(shi)否可以(yi)叫做是(shi)(shi)(shi)嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)系統呢?答案肯(ken)定(ding)是(shi)(shi)(shi)“是(shi)(shi)(shi)”。另外一個(ge)(ge)PC104的(de)微(wei)型工業控制計(ji)算(suan)機你會認為(wei)它是(shi)(shi)(shi)嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)系統嗎?當然，也是(shi)(shi)(shi)，工業控制是(shi)(shi)(shi)嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)系統技術的(de)一個(ge)(ge)典型應用領域(yu)。然而(er)比較兩(liang)者(zhe)，你也許會發現二者(zhe)幾乎完全不(bu)同，除了其(qi)中(zhong)都嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)有(you)微(wei)處(chu)理(li)(li)器(qi)。那是(shi)(shi)(shi)否可以(yi)說嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)著微(wei)處(chu)理(li)(li)器(qi)的(de)設備就(jiu)是(shi)(shi)(shi)嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)系統?那鼠標中(zhong)也有(you)單(dan)片機，能叫嵌(qian)(qian)入(ru)(ru)式(shi)系統嘛?

那到底什么(me)是嵌(qian)入式(shi)系統?莫非嵌(qian)入式(shi)系統只是一個難以定(ding)義的抽象概念?

二、嵌入式系統的歷史

雖然嵌入(ru)式系統(tong)是(shi)近幾(ji)年(nian)才風靡起來的(de)(de)(de)，但是(shi)這個(ge)概念并(bing)非新近才出(chu)現。從(cong)20世(shi)紀(ji)七十年(nian)代單片機(ji)的(de)(de)(de)出(chu)現到今天各(ge)式各(ge)樣的(de)(de)(de)嵌入(ru)式微(wei)處理(li)器，微(wei)控(kong)制器的(de)(de)(de)大規模(mo)應用，嵌入(ru)式系統(tong)已經有(you)了近30年(nian)的(de)(de)(de)發(fa)展歷史。

作為一個系統，往(wang)往(wang)是(shi)在硬件和軟件交(jiao)替(ti)發展的雙螺旋的支撐下逐漸趨(qu)于(yu)穩定和成熟，嵌入式系統也不例外。

嵌入式系統的(de)(de)出現(xian)初(chu)是(shi)基于單片(pian)機的(de)(de)。70年代單片(pian)機的(de)(de)出現(xian)，使(shi)(shi)得汽(qi)車、家電、工業機器、通(tong)信(xin)裝置以(yi)及成千上萬種(zhong)產品可以(yi)通(tong)過內(nei)嵌電子裝置來(lai)獲得更佳(jia)的(de)(de)使(shi)(shi)用性能(neng)：更容(rong)易(yi)使(shi)(shi)用、更快、更便宜。這些裝置已經初(chu)步具備了嵌入式的(de)(de)應用特點，但是(shi)這時的(de)(de)應用只是(shi)使(shi)(shi)用8位的(de)(de)芯(xin)片(pian)，執行一些單線程(cheng)的(de)(de)程(cheng)序，還談不上“系統”的(de)(de)概念。

提示：早(zao)的(de)單片(pian)(pian)(pian)機是(shi)Intel公(gong)司(si)的(de) 8048，它(ta)出(chu)(chu)現在1976年(nian)。Motorola同時(shi)推(tui)出(chu)(chu)了(le)68HC05，Zilog公(gong)司(si)推(tui)出(chu)(chu)了(le)Z80系列(lie)(lie)，這(zhe)些(xie)早(zao)期(qi)的(de)單片(pian)(pian)(pian)機均(jun)含有256字節(jie)的(de)RAM、4K的(de)ROM、4 個8位并(bing)口、1個全雙工串(chuan)行口、兩個16位定 時(shi) 器。之(zhi)后在80年(nian)代初(chu)，Intel又進一(yi)(yi)步完善了(le)8048，在它(ta)的(de)基礎上研制成(cheng)(cheng)功(gong)(gong)了(le)8051，這(zhe)在單片(pian)(pian)(pian)機的(de)歷史上是(shi)值得紀(ji)念(nian)的(de)一(yi)(yi)頁(ye)，迄(qi)今為(wei)止，51系列(lie)(lie)的(de)單片(pian)(pian)(pian)機仍然是(shi)為(wei)成(cheng)(cheng)功(gong)(gong)的(de)單片(pian)(pian)(pian)機芯(xin)片(pian)(pian)(pian)，在各(ge)種產品中有著非常廣泛的(de)應用。

從80年(nian)代早期開(kai)始，嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)程序員開(kai)始用商(shang)業級的(de)(de)(de)“操(cao)(cao)(cao)作(zuo)系(xi)(xi)統(tong)(tong)”編寫(xie)嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)應(ying)用軟件(jian)，這(zhe)使(shi)得可(ke)(ke)以(yi)獲(huo)取(qu)更短的(de)(de)(de)開(kai)發周期，更低的(de)(de)(de)開(kai)發資金和更高(gao)的(de)(de)(de)開(kai)發效率，“嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)”真正(zheng)出現了(le)。確切點(dian)說，這(zhe)個時(shi)(shi)候的(de)(de)(de)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)系(xi)(xi)統(tong)(tong)是一個實時(shi)(shi)核，這(zhe)個實時(shi)(shi)核包(bao)含(han)了(le)許多傳統(tong)(tong)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)特(te)征，包(bao)括任(ren)務(wu)管理(li)、任(ren)務(wu)間通訊(xun)、同步與相互排斥、中斷支(zhi)持、內存管理(li)等功能(neng)。其中比較著名的(de)(de)(de)有Ready System 公司(si)的(de)(de)(de)VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的(de)(de)(de)PSOS和IMG的(de)(de)(de)VxWorks、QNX公司(si)的(de)(de)(de)QNX 等。這(zhe)些嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)系(xi)(xi)統(tong)(tong)都(dou)具有嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)典型特(te)點(dian)：它們均采用占先式(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)調(diao)度，響(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間很(hen)短，任(ren)務(wu)執行(xing)的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間可(ke)(ke)以(yi)確定;系(xi)(xi)統(tong)(tong)內核很(hen)小，具有可(ke)(ke)裁剪(jian)，可(ke)(ke)擴(kuo)充和可(ke)(ke)移(yi)植(zhi)(zhi)性，可(ke)(ke)以(yi)移(yi)植(zhi)(zhi)到各種(zhong)處理(li)器上;較強的(de)(de)(de)實時(shi)(shi)和可(ke)(ke)靠性，適(shi)合嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)應(ying)用。這(zhe)些嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)實時(shi)(shi)多任(ren)務(wu)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)出現，使(shi)得應(ying)用開(kai)發人員得以(yi)從小范圍(wei)的(de)(de)(de)開(kai)發解放出來(lai)，同時(shi)(shi)也促(cu)使(shi)嵌入(ru)(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)有了(le)更為廣闊(kuo)的(de)(de)(de)應(ying)用空間。

90年代(dai)以(yi)后，隨著對實時(shi)性要求的(de)(de)提高，軟(ruan)(ruan)件(jian)規模(mo)不(bu)斷上(shang)升(sheng)，實時(shi)核(he)逐(zhu)漸(jian)發(fa)展(zhan)為實時(shi)多任務(wu)操作(zuo)系統(tong)(RTOS)，并作(zuo)為一種軟(ruan)(ruan)件(jian)平臺逐(zhu)步成為目前嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)的(de)(de)主流。這時(shi)候(hou)更多的(de)(de)公司看到了嵌(qian)入(ru)式(shi)系統(tong)的(de)(de)廣(guang)闊發(fa)展(zhan)前景，開始大力發(fa)展(zhan)自己的(de)(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)操作(zuo)系統(tong)。除(chu)了上(shang)面(mian)的(de)(de)幾家老牌公司以(yi)外，還出(chu)現了Palm OS，WinCE，嵌(qian)入(ru)式(shi)Linux，Lynx，Nucleux，以(yi)及(ji)的(de)(de)Hopen，Delta Os等(deng)嵌(qian)入(ru)式(shi)操作(zuo)系統(tong)。隨著嵌(qian)入(ru)式(shi)技術(shu)的(de)(de)發(fa)展(zhan)前景日(ri)益(yi)廣(guang)闊，相(xiang)信會有更多的(de)(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)操作(zuo)系統(tong)軟(ruan)(ruan)件(jian)出(chu)現。

在嵌(qian)入(ru)(ru)(ru)式系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)領(ling)域，比(bi)較認同的嵌(qian)入(ru)(ru)(ru)式系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)概念是：嵌(qian)入(ru)(ru)(ru)式系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)是以應(ying)用為中心，以計算機技術為基(ji)礎(chu)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(ying)用系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)對功(gong)能、可靠性、成(cheng)本、體積、功(gong)耗有嚴格(ge)要求的專用計算機系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。它一(yi)般由嵌(qian)入(ru)(ru)(ru)式微處(chu)理(li)器、外圍硬件設備、嵌(qian)入(ru)(ru)(ru)式操作系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)以及用戶的應(ying)用程序等四個部分組成(cheng)，用于實現對其他設備的控制、監(jian)視或管理(li)等功(gong)能。

三(san)、嵌(qian)入式系統的應用領域

嵌入式系統技(ji)術(shu)具有非常(chang)廣闊的應用前景，其應用領(ling)域可以包(bao)括：

1、工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制：基于嵌(qian)入式(shi)芯片的(de)(de)工(gong)業(ye)(ye)自動化(hua)設(she)(she)備將(jiang)獲(huo)得長足的(de)(de)發(fa)展，目前(qian)已(yi)經(jing)有大量的(de)(de)8、16、32 位(wei)(wei)嵌(qian)入式(shi)微控(kong)制器在應(ying)用中，網(wang)絡化(hua)是提高生產(chan)效(xiao)率和產(chan)品質量、減少人力(li)(li)資源(yuan)主要途(tu)徑(jing)，如工(gong)業(ye)(ye)過程控(kong)制、數(shu)字機床、電力(li)(li)系統、電網(wang)安全、電網(wang)設(she)(she)備監測、石油化(hua)工(gong)系統。就(jiu)傳統的(de)(de)工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制產(chan)品而(er)言(yan)，低端(duan)型采用的(de)(de)往往是8位(wei)(wei)單片機。但是隨著技術(shu)的(de)(de)發(fa)展，32位(wei)(wei)、64位(wei)(wei)的(de)(de)處(chu)理器逐漸成(cheng)為(wei)工(gong)業(ye)(ye)控(kong)制設(she)(she)備的(de)(de)核心，在未(wei)來幾年內必將(jiang)獲(huo)得長足的(de)(de)發(fa)展。

2、交通管理：在車輛導航、流量控制、信(xin)息監測與汽車服務方面，嵌入式系(xi)統技術已(yi)經(jing)獲得(de)了廣泛的應用，內嵌GPS模(mo)塊，GSM模(mo)塊的移動定位終端(duan)(duan)已(yi)經(jing)在各種運(yun)輸行業獲得(de)了成功的使用。目前GPS設備(bei)已(yi)經(jing)從尖端(duan)(duan)產品進入了普通百姓的家庭(ting)，只需要幾(ji)千(qian)元，就可以隨時隨地找到你的位置。

3、信息家電：這將稱(cheng)為嵌(qian)入式系(xi)統(tong)大(da)的(de)(de)應用領域(yu)，冰箱、空(kong)調等的(de)(de)網(wang)絡(luo)化、智能化將人們的(de)(de)生活步入一個(ge)嶄新(xin)的(de)(de)空(kong)間。即使你不在家里，也可(ke)以通過電話線、網(wang)絡(luo)進(jin)行遠程控制。在這些設(she)備中，嵌(qian)入式系(xi)統(tong)將大(da)有用武之地(di)。

4、家庭(ting)智能(neng)管理系(xi)統(tong)：水(shui)、電、煤氣表的(de)(de)(de)遠程(cheng)自(zi)動抄表，安(an)全(quan)防(fang)火、防(fang)盜系(xi)統(tong)，其(qi)中嵌有的(de)(de)(de)專(zhuan)用(yong)控制(zhi)芯(xin)片將代替(ti)傳統(tong)的(de)(de)(de)人(ren)工檢查，并(bing)實現更(geng)高，更(geng)準確和更(geng)安(an)全(quan)的(de)(de)(de)性能(neng)。目前在服(fu)務領(ling)域，如(ru)遠程(cheng)點菜器等已經體現了嵌入式系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)優勢。

5、POS網絡(luo)及電(dian)(dian)子(zi)商務：公(gong)共(gong)(gong)交通無(wu)接(jie)觸智能卡(ka)(ka)(Contactless Smartcard, CSC)發行系(xi)統，公(gong)共(gong)(gong)電(dian)(dian)話卡(ka)(ka)發行系(xi)統，自動(dong)售貨機，各種智能ATM終端(duan)將全面走入(ru)人們的生活，到時手持一卡(ka)(ka)就可以行遍(bian)天下。

6、環境工程與(yu)自然：水(shui)文資料實時監(jian)測(ce)(ce)(ce)，防洪體系及水(shui)土質量監(jian)測(ce)(ce)(ce)、堤壩安全，地(di)(di)震監(jian)測(ce)(ce)(ce)網(wang)(wang)，實時氣(qi)象信息網(wang)(wang)，水(shui)源和空(kong)氣(qi)污染(ran)監(jian)測(ce)(ce)(ce)。在(zai)很多(duo)環境惡劣(lie)，地(di)(di)況復(fu)雜的地(di)(di)區，嵌入式(shi)系統(tong)將實現(xian)無人監(jian)測(ce)(ce)(ce)。

7、機器(qi)人：嵌入(ru)式芯片的發展將使機器(qi)人在(zai)微型化，高智能方(fang)面優(you)勢更(geng)(geng)加明顯，同時會大幅(fu)度降低機器(qi)人的價(jia)格，使其在(zai)工(gong)業領域(yu)和服務領域(yu)獲得更(geng)(geng)廣泛(fan)的應(ying)用。

這(zhe)些應用(yong)中，可以(yi)著重于在(zai)控(kong)(kong)制(zhi)方面的(de)(de)(de)應用(yong)。就遠(yuan)程家電控(kong)(kong)制(zhi)而(er)言，除(chu)了開發出支持TCP/IP的(de)(de)(de)嵌(qian)(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統之(zhi)外，家電產品(pin)控(kong)(kong)制(zhi)協議也需(xu)要(yao)制(zhi)訂和統一，這(zhe)需(xu)要(yao)家電生產廠家來做。同樣的(de)(de)(de)道(dao)理，所有基于網絡的(de)(de)(de)遠(yuan)程控(kong)(kong)制(zhi)器件都需(xu)要(yao)與嵌(qian)(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統之(zhi)間(jian)實現(xian)接口，然后(hou)再由嵌(qian)(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統來控(kong)(kong)制(zhi)并通(tong)過網絡實現(xian)控(kong)(kong)制(zhi)。所以(yi)，開發和探討嵌(qian)(qian)入(ru)式系(xi)(xi)統有著十分(fen)重要(yao)的(de)(de)(de)意(yi)義。