嵌入式系统

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嵌入式系统(Embedded system)

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什么是嵌入式系统

  嵌入式系统是以应用为核心。软硬件可裁减,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能严格要求的专用计算机系统。它是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。

嵌入式系统的历史发展

  从20世纪七十年代单片机的出现到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。

  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。

  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ReadySystem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PalmOS,WinCE,嵌入式Linux,Lynx,Nucleux,以及国内的Hopen,DeltaOs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。

嵌入式系统的特点[1]

  1.高度分散不易垄断的工业

  通用计算机行业是垄断的,芯片基本上是出自Intel和AMD等几家著名公司,几乎每台计算机必备的操作系统都是Microsoft的Windows操作系统系列,文本编辑器基本都是Word版本的文字处理器。然而,由于嵌入式系统有各自不同的应用领域,因而给各个行业中、小规模嵌入式系统应用程序的开发留下了很大的扩展空间,并且由于各个应用领域在不断发展.对嵌入式处理器核心要求也在不断变化,这些因素决定了嵌入式系统不易被垄断。

  2.产品具有稳定性

  嵌人式系统是面向用户、面向企业的,因而嵌入式系统要求和具体应用紧密结合在一起,对硬件和软件都要根据用户需要选择。在保证软件功能和软件运行速度的情况下,要尽量去除冗余.力争用最小的硬件投入、最少的支撑软件.满足用户的需求。

  嵌人式系统硬件可裁减,主要考虑功能、成本、可靠性,去除所有的冗余,因而在成本价格和易用性上有竞争实力。另外.嵌人式系统各行业的应用系统和产品短期内一般不会发生比较大的跳跃,具有相对稳定的特点,因而嵌人式系统软、硬件生命周期一般比较长,与通用的软、硬件系统比起来,具有价格便宜、发展稳定的特点。

  3.高效的软件代码和实时、多任务的操作系统

  传统的操作系统,软件主要存储在硬盘上,嵌入式系统对速度和可靠性有较高的要求,因而嵌入式系统的软件一般固化在ROM(只读存储器1芯片中,然后固化在主板上,并且由于ROM芯片存储容量有限.因此嵌人式系统要求在保持执行功能和速度的前提下.要尽量减少二进制程序代码的长度。以节省只读存储器宝贵的存储空间

  嵌入式计算机在接到指定任务后。必须在规定时间内给出实时应答.这是区别嵌人式计算机与通用计算机的一个重要特征.实时性涉及到硬件的性能、软件的中断管理和调度算法等。

  嵌入到恶劣环境中的系统和设备,除了要完成指定的任务.还要主动去适应环境的变化,如果不能及时处理这些外在因素带来的问题.这些嵌入式系统和设备就不能稳定工作.基于上述原因,嵌入式系统要以多任务操作系统为平台。

  4.自主选择软、硬件及平台

  嵌入式系统没有现存的软、硬件设备,开发人员往往是各个应用领域的专家.专家们根据各个行业不同的应用需求。以通用的计算机软、硬件设备为基础,再配合各种逻辑分析仪、混合信号示波器等,自主选择多任务操作系统(WindowsCE,Unix,VxWorks,Linux)平台,开发出实时、高速、易用及可靠的嵌人式系统软件。

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

  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

  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

  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。

参考文献

  1. 夏小翔.嵌入式系统的特点及应用[J].鄂州大学学报.2015,1
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