嵌入式系统概述及其应用前景
摘要：该文介绍了嵌入式系统的定义，根据应用领域，对计算机分类提出了嵌入式计算机和通用计算机的新定义，总结了嵌入式系统工业及其开发的特点，对嵌入式系统的发展趋势做了简单的概述。
关键词：嵌入式系统；特点；应用前景
随着现代信息技术和Internet技术的飞速发展,各种各样的数字化产品得到普及;嵌入式系统已经渗透于现代生活的各个角落——手机、微波炉、取款机、智能玩具、电子商务、工控设备、通信设备、医疗器械、航天航空、军事装备等等。嵌入式系统有着广泛的应用前景和发展潜力,嵌入式系统技术已经成了最热门的技术之一。
嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指嵌入在宿主设备中的微处理机系统。它所强调的要点是:计算机不为表现自己，而是辅助它所在的宿主设备，使宿主设备的功能智能化、网络化。据此，通常把嵌入式系统定义为一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可以剪裁，适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。因此在嵌入式系统中，操作系统和应用软件常被集成于计算机硬件系统之中，使系统的应用软件与硬件一体化。
1.嵌入式系统的定义和发展状况
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。
嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、微处理器、存储器、外部设备、I/O端口和图形控制器等；软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务)和应用程序编程。有时也把这两种软件结合在一起。操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用，而应用程序控制着系统的运作。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：(1)对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。(2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。(3)可扩展的处理器结构，能最迅速地开展出满足最高性能的嵌入式微处理器。(4)嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至€%eW级。
2.嵌入式系统的技术特点
嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统嵌入式系统。麻雀虽小,五脏俱全,软件除操作系统外,还需有完成嵌入式系统功能的应用软件；硬件除了CPU外,还需有外围电路支持,微处理器、微控制器、DSP已构成嵌入式系统硬件的基础。嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统，嵌入式系统的发展离不开应用,应用的共同要求是系统资源开销小,由于嵌入式系统技术日益完善,各种高性能嵌入式应用系统层出不穷,它已是资源开销小的高性能价格比的一类应用系统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠性的要求,大多使用Flash Memory。嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统，嵌入式系统应用的广泛性,要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统,使用它应如同使用家用电器一样方便。
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,主要有以下几点:
2.1软件要求固态化存储
为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或嵌入式微控制器中,而不是存贮于磁盘等载体中。
2.2软件代码要求高质量、高可靠性
尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高，片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,以减小程序二进制代码长度、提高执行速度。
2.3系统软件(OS)的高实时性是基本要求
在多任务嵌入式系统中,对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键,单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的,这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成,因此系统软件的高实时性是基本要求。
2.4多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业化、标准化道路的基础
嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统本身不具备开发能力,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,这些工具和环境一般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。
2.5嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台(RTOS)
通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口,是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以及完成后的软件都在OS平台上面运行,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。
2.6在嵌入式系统的软件开发过程中,采用C语言将是最佳和最终的选择
由于汇编语言是一种非结构化的语言,对于大型的结构化程序设计已经不能完全胜任了，这就要求我们采用更高级的C语言去完成这一工作。
3.嵌入式系统在测控仪器中的应用示例
嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中包含了多个嵌入式微处理器,如键盘、显示卡、Modem、声卡、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在过程控制和仪器仪表中也都是嵌入式系统的应用领域，嵌入式系统开发的关键是系统的整体设计、嵌入结构的选择以及对嵌入模块的应用。
4.嵌入式系统应用前景
目前嵌入式系统的应用技术热点集中在智能化仪器仪表、计算机外围设备、网络技术、信息家电、国防工业、电子商务、PDA、生物微电子技术等领域,而把微控制器、在线可编程技术以及数字信号处理器结合在一起(MCU+ISP+DSP)形成的嵌入式系统将是近期发展的一个重要方向。
中国的单片机应用和嵌入式系统开发已走过了十多年的历程,随着市场对超微型嵌入式应用技术和产品的要求不断增长,以及半导体技术和系统设计方法的进步,嵌入式系统在目前的发展形势下,表现出以下几大趋势：(1)可靠性及应用水平越来越高，和互联网连接已是一种明显的走向。(2)所集成的部件越来越多,从意义上讲只是单片集成电路,从功能上讲可以说是万用机了。(3)功耗越来越低,和模拟电路结合越来越多。信息产业部有关部门对我国嵌入技术的开发和应用给予了一贯的支持,无论从芯片研发、嵌入式操作系统、嵌入式数据库到应用系统研发乃至推广应用,在政策导向、标准制定、电子生产发展基金立项,倍增计划款项目和贴息等,对嵌入技术及其应用,都给予了力所能及的支持。
中国嵌入式操作系统市场处于快速增长时期。在未来的几年内,嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力,由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现,嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的应用领域。消费电子、交通运输、汽车、电信服务、网络工业都表现出对这个市场的关注,嵌入式操作系统将继续保持迅速的增长。
参考文献：
[1]冯继超.面向21世纪的嵌入式系统及发展方向[J].工业控制计算机,001(5).
[2]吴朝晖教授.纵谈嵌入式技术.微电脑世界,2000年第49期.嵌入式论文集.电子产品世界,2000.11.
[3]黄定华,孙炳华.嵌入式系统中的软件设计技术——C语言程序设计[J].工业控制计算机,2001(5).
[4]林怀忠,陈纯等.移动环境下事务一致性的动态实现[J].计算机研究与发展,2002,1