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我国嵌入式技术的现状与发展

嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统，此类计算机一般不被设备使用者在意，亦称埋藏式计算机，典型机种如微控制器、微处理器和DSP等。

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。美国著名未来学家尼葛洛庞帝在1999年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑) 工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到 13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。

 进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。像前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采用 32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。

 目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的ADSL产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。

硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和 Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台Delta System，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统（虽然还不够完善）。同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。

    今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万 亿美元，1997年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的Embedded Internet成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。

　　二、未来嵌入式系统的发展趋势

 信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：

　　1．嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广Arm7，Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（BSP），而WindowCE在主推系统时也提供Embedded VC＋＋作为开发工具，还有Vxworks的Tonado开发环境，DeltaOS的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。

2．网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。如HP

 3．网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP／IP协议，还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。

4．精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java、Web和WAP等。

 5．提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。

　　本文着重讨论新一代嵌入式系统软件技术现状与未来。文中讨论三个问题。

　　一、标志性的嵌入式产品已露头角。

计算机应用的普及、互联网技术的实用以及纳米微电子技术的突破，正有力推动着21世纪工业生产、商业活动、科学实验和家庭生活等领域自动化和信息化进程。全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居，为嵌入式产品造就了崭新而巨大的商机。除了沟通信息高速公路的交换机、路由器和Modem，构建CIMS所需的DCS和机器人以及规模较大的家用汽车电子系统。最有量产效益和时代特征的嵌入式产品应数因特网上的信息家电(Internet Appliances),如Web可视电话、Web游戏机、Web PDA(俗称电子商务、商务通)、WAP电话手机、以及多媒体产品，如STB(电视机顶盒)、DVD播放机、电子阅读机。

　　二、嵌入式软件技术面临挑战

　　以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。

　　1.嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持

　　 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样。像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

　　目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的，如WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem,它不仅包括DeltaCore嵌入式实时操作系统,而且还包括LamdaTools交叉开发工具套件,测试工具,应用组件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系统。

　　2.联网成为必然趋势

　　为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP／IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联(如防盗报警，灯光能源控制，影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。

　　3.支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本

　　为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。因此既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。

　　4.提供精巧的多媒体人机界面

　　嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网，收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入，短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。

　　三、影响未来的若干软件新技术

　　如前所述，嵌入式系统设计师们已利用现行嵌入式软件技术和PC机积累技术迎接新一代嵌入式应用；同时，发展影响深远的若干新的软件技术。这些技术包括：行业性编程编口API规范，无线网络操作系统、IP构件库和嵌入式JAVA等。

　　1.日趋流行的行业性开放系统和备受青睐的自由软件技术

　　为了对付日趋激烈的国际市场竞争势态，设计技术共享和软件重用、构件兼容、维护方便和合作生产是增强行业性产品竞争能力的有效手段。近几年，一些地区和国家的若干行业协会纷纷制定嵌入式产品标准，特别是软件编程接口API规范。如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口(OSEK的名称来自于德文“车内电子设备的开放系统的接口)。OSEK规定了汽车控制器的通信规程、网络管理规则以及高效利用存贮器的嵌入式操作系统。虽然业界专家怀疑OSEK标准是否能马上投入使用，而WindRiver等嵌入式软件公司已宣布推出兼容的操作系统，MotoWorks，充分利用行业软件技术开放带来的大笔商业利益。我国数字产业联盟，也在制定本行业的开放式软件标准，提高中国数字产品的竞争能力。看来，走行业开放系统道路是加快嵌入式软件技术发展的捷径之一。

　　此外，值得指出，国际上自由软件运动的顺利发展，GPL概念正对嵌入式软件产业深远影响。嵌入式Linux多种原型的提出，和GNU软件开发工具软件的实用化进展，正为我国加快发展嵌入式软件技术提供了极好机遇和条件。

　　2.无线网络操作系统初见端倪

　　未来移动通信网络不仅能够提供丰富的多媒体数据业务，而且能够支持更多功能和更强的移终端设备。为了有效地发挥第三代移动通信系统的优势，许多设备厂商针对未来移动设备的特点努力开发无线网络操作系统。EPOC就是一例。

　　3.IP构件库技术正在造就一个新兴的软件行业

　　嵌入式系统实现的最高形式是单一芯片系统(SOC，System On Chip)，而SOC的核技术是IP核(即知识产权核Intellectual Property Kernels)构件。IP核有硬件核、软件核和固件核，硬件核主要指8/16/32/位MPU核或DSP核。硬件提供商以数据软件库的形式，将其久经验证的处理器逻辑和芯片版图数据，供EDA工具调用在芯片上直接配置MPU/DSP功能单元；而软件核则是软件提供商将SOC所需的RTOS内核软件或其它功能软件，如通信协议软件，FAX功能软件等构件标准API方式和IP核构件形式供IDE和EDA工具调用制成FLASH或ROM可执行代码单元，加速SOC嵌入式系统定制或开发。目前一些嵌入式软件供应商纷纷把成熟的RTOS内核和功能扩展件，以软件IP核构件形式出售，如Microtec的VRTXoc for ARM就是典型例子。正在兴启的IP构件软件技术正为一大批高智小型软件公司提供发展机遇。

　　4.J2ME技术将对嵌入式软件的发展产生深远影响

　　众所周知“一次编程，到处使用”JAVA软件概念原本就是针对网上嵌入式小设备提出的。几经周折，目前SUN公司已推出了J2ME(JAVA 2 Platform Micro Edition)针对信息家电的JAVA版本，其技术日趋成熟，开始投入使用。SUN公司JAVA虚拟机(JVM)技术的有序开放，使得JAVA软件真正实现跨平台运行，即JAVA应用小程序能够在带有JVM的任何硬软件系统上执行。这对实现瘦身上网的信息家电等网络设备十分有利。这一技术动向势必对嵌入式设备特别是上网设备软件编程技术产生重大影响，更值得业界人事关注。

总结

由于诸多原因，我国计算机行业未能赶上世界范围软件技术发展的前几次机遇；当我们意识到应组织发展本国软件产业时，微软已在PC软件上处世界垄断地位，我们只得在软件汉化小范围徘徊，对计算机系统软件虽偶有出击，总难冲出重围。二十一世纪之初，微软王国已从登峰造极走向地位下滑的后PC时代。后PC时代，既非PC信息设备大显神通的时代，嵌入式系统正是非PC设备的主体，由于其应用推广、领域特色突出，谁也无力独吞这一市场。互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的高速发展，已为我国开发嵌入式产品造就了广大市场，此外我国是人口大国，素有软件智力优势。因此，我国软件同仁应该牢牢抓着这一大好机遇，找准出击点，在IP软件、JAVA应用和无线网络等新一轮嵌入式软件技术上，下大力，冲刺一翻，定能使我国软件技术大上一个台阶，对发展我国经济做出应有贡献。下载本文