嵌入式系統

出自 MBA智库百科(https://wiki.mbalib.com/)

嵌入式系統(Embedded system)

　　嵌入式系統是以應用為核心。軟硬體可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能嚴格要求的專用電腦系統。它是集軟、硬體於一體的可獨立工作的“器件”。

　　從20世紀七十年代單片機的出現到各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規模應用，嵌入式系統已經有了近30年的發展歷史。

　　嵌入式系統的出現最初是基於單片機的。70年代單片機的出現，使得汽車、家電、工業機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的晶元，執行一些單線程的程式，還談不上“系統”的概念。

　　最早的單片機是Intel公司的8048，它出現在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256位元組的RAM、4K的ROM、4個8位並口、1個全雙工串列口、兩個16位定時器。之後在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研製成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機晶元，在各種產品中有著非常廣泛的應用。

　　從80年代早期開始，嵌入式系統的程式員開始用商業級的“操作系統”編寫嵌入式應用軟體，這使得可以獲取更短的開發周期，更低的開發資金和更高的開發效率，“嵌入式系統”真正出現了。確切點說，這個時候的操作系統是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統操作系統的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、記憶體管理等功能。

　　其中比較著名的有ReadySystem公司的VRTX、Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等。這些嵌入式操作系統都具有嵌入式的典型特點：它們均採用占先式的調度，響應的時間很短，任務執行的時間可以確定；系統內核很小，具有可裁剪，可擴充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強的實時和可靠性，適合嵌入式應用。這些嵌入式實時多任務操作系統的出現，使得應用開發人員得以從小範圍的開發解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。

　　90年代以後，隨著對實時性要求的提高，軟體規模不斷上升，實時核逐漸發展為實時多任務操作系統（RTOS），並作為一種軟體平臺逐步成為目前國際嵌入式系統的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統的廣闊發展前景，開始大力發展自己的嵌入式操作系統。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現了PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內的Hopen，DeltaOs等嵌入式操作系統。隨著嵌入式技術的發展前景日益廣闊，相信會有更多的嵌入式操作系統軟體出現。

　　1.高度分散不易壟斷的工業

　　通用電腦行業是壟斷的，晶元基本上是出自Intel和AMD等幾家著名公司，幾乎每台電腦必備的操作系統都是Microsoft的Windows操作系統系列，文本編輯器基本都是Word版本的文字處理器。然而，由於嵌入式系統有各自不同的應用領域，因而給各個行業中、小規模嵌入式系統應用程式的開發留下了很大的擴展空間，並且由於各個應用領域在不斷發展．對嵌入式處理器核心要求也在不斷變化，這些因素決定了嵌入式系統不易被壟斷。

　　2.產品具有穩定性

　　嵌人式系統是面向用戶、面向企業的，因而嵌入式系統要求和具體應用緊密結合在一起，對硬體和軟體都要根據用戶需要選擇。在保證軟體功能和軟體運行速度的情況下，要儘量去除冗餘．力爭用最小的硬體投入、最少的支撐軟體．滿足用戶的需求。

　　嵌人式系統硬體可裁減，主要考慮功能、成本、可靠性，去除所有的冗餘，因而在成本價格和易用性上有競爭實力。另外．嵌人式系統各行業的應用系統和產品短期內一般不會發生比較大的跳躍，具有相對穩定的特點，因而嵌人式系統軟、硬體生命周期一般比較長，與通用的軟、硬體系統比起來，具有價格便宜、發展穩定的特點。

　　3.高效的軟體代碼和實時、多任務的操作系統

　　傳統的操作系統，軟體主要存儲在硬碟上，嵌入式系統對速度和可靠性有較高的要求，因而嵌入式系統的軟體一般固化在ROM(只讀存儲器1晶元中，然後固化在主板上，並且由於ROM晶元存儲容量有限．因此嵌人式系統要求在保持執行功能和速度的前提下．要儘量減少二進位程式代碼的長度。以節省只讀存儲器寶貴的存儲空間。

　　嵌入式電腦在接到指定任務後。必須在規定時間內給出實時應答．這是區別嵌人式電腦與通用電腦的一個重要特征．實時性涉及到硬體的性能、軟體的中斷管理和調度演算法等。

　　嵌入到惡劣環境中的系統和設備，除了要完成指定的任務．還要主動去適應環境的變化，如果不能及時處理這些外在因素帶來的問題．這些嵌入式系統和設備就不能穩定工作．基於上述原因，嵌入式系統要以多任務操作系統為平臺。

　　4.自主選擇軟、硬體及平臺

　　嵌入式系統沒有現存的軟、硬體設備，開發人員往往是各個應用領域的專家．專家們根據各個行業不同的應用需求。以通用的電腦軟、硬體設備為基礎，再配合各種邏輯分析儀、混合信號示波器等，自主選擇多任務操作系統(WindowsCE，Unix，VxWorks，Linux)平臺，開發出實時、高速、易用及可靠的嵌人式系統軟體。

　　嵌入式系統技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括：

　　(1)工業控制

　　基於嵌入式晶元的工業自動化設備將獲得長足的發展，目前已經有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在應用中，網路化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑，如工業過程式控制制、數字機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、石油化工系統。就傳統的工業控制產品而言，低端型採用的往往是8位單片機。但是隨著技術的發展，32位、64位的處理器逐漸成為工業控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得長足的發展。

　　(2)交通管理

　　在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，嵌入式系統技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。

　　(3)信息家電

　　這將稱為嵌入式系統最大的應用領域，冰箱、空調等的網路化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家裡，也可以通過電話線、網路進行遠程式控制制。在這些設備中，嵌入式系統將大有用武之地。

　　(4)家庭智能管理

　　水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，其中嵌有的專用控制晶元將代替傳統的人工檢查，並實現更高，更準確和更安全的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現了嵌入式系統的優勢。

　　(5)POS網路

　　公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard,CSC)發行系統，公共電話卡發行系統，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可以行遍天下。

　　(6)環境工程

　　水文資料實時監測，防洪體系及水土質量監測、堤壩安全，地震監測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監測。在很多環境惡劣，地況複雜的地區，嵌入式系統將實現無人監測。