·75·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　信 　息 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001 年第 12 期 嵌入式系统的现状及发展前景 马义德 , 刘映杰 , 张新国 (兰州大学信息科学与工程学院 , 兰州 730000) 摘 　要 : 从嵌入式系统的含义 、特点 、开发平台及其工业特征出发 , 深入阐述了嵌入式计算机 技术的发展现状 , 展望了嵌入式系统产业在我国的广阔发展前景 。 关键词 : 嵌入式系统 ; 嵌入式 DSP 处理器 ; 嵌入式软件 ; 嵌入式控制器 中图分类号 : TP273 + . 5 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1009 —2552 (2001) 12 —0057 —03 The situation and developing prospects of embedded Systems MaYide , LiuYingjie , ZhangXinguo (School of Information Seience and Engineering ,Lanzhou University ,Lanzhou 730000 ,China) Abstract :The article elaboratec the developing situation of embedded computer technology from The meaning , characteristic ,development platform and industry trait of embedded System ,anticipating the vast developing prospects of embedded System industrial in our country. KeyWords : Embedded system ; Embedded digital singnal processor ; Embedded software ; Embedded control 1 　嵌入式系统的含义及分类 嵌入式系统被定义为 :以应用为中心 、以计算机 技术为基础 、软件硬件可裁剪 、适应应用系统对功 能 、可靠性 、成本 、体积 、功耗严格要求的专用计算机 系统 。 嵌入式系统是将先进的计算机技术 、半导体技 术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产 物 ,这一点就决定了它必然是一个技术密集 、资金密 集 、高度分散 、不断创新的知识集成系统 。 目前嵌入式系统除了部分为 32 位处理器外 ,大 量存在的是 8 位和 16 位的嵌入式微控制器 (MCU) , 嵌入式系统是计算机应用的另一种形态 ,正如前所 述它与通用计算机应用不同 :嵌入式计算机是以嵌 入式系统的形式隐藏在各种装置 、产品和系统之中 的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统 。目前 根据其发展现状 ,嵌入式计算机可以分成下面几类 : (1) 嵌入式微处理器 ( Embedded Microprocessor 收稿日期 :2001 —06 —07 作者简介 :马义德 ,男 ,1963 年出生 ,兰州大学信息科学与工程学院 教师 ,从事数字视频 、数字图像处理及图像编码教学研究 工作 ,现为兰州大学干旱生态国家重点实验室博士研究 生 ,研究方向为生物医学图像处理 。 Unit , EMPU) 嵌入 式 微 处 理 器 的 基 础 是 通 用 计 算 机 中 的 CPU。在应用中 ,将微处理器装配在专门设计的电 路板上 ,只保留和嵌入式应用有关的母板功能 ,这样 可以大幅度减小系统体积和功耗 。为了满足嵌入式 应用的特殊要求 ,嵌入式微处理器虽然在功能上和 标准微处理器基本是一样的 ,但在工作温度 、抗电磁 干扰 、可靠性等方面一般都做了各种增强 。 计数器 、 D、D A、 EPROM、RAM、总线 、总线逻辑 、定时 O、串 行 口 、脉 宽 调 制 输 出 、A (2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit , MCU) 嵌入式微控制器又称单片机 。嵌入式微控制器 一般以某一种微处理器内核为核心 ,芯片内部集成 ROM WatchDog、I Flash RAM、E2PROM 等各种必要功能和外设 。为适 应不同的应用需求 ,一般一个系列的单片机具有多 种衍生产品 ,每种衍生产品的处理器内核都是一样 的 ,不同的是存储器和外设的配置及封装 。这样可 以使单片机最大限度地和应用需求相匹配 ,功能不 多不少 ,从而减少功耗和成本 。和嵌入式微处理器 相比 ,微控制器的最大特点是单片化 ,体积大大减 小 ,从而使功耗和成本下降 、可靠性提高 。 (3) 嵌入式 DSP 处理器 ( Embedded Digital Signal 

·85· 2001 年第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　信 　息 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Processor , EDSP) DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设 计 ,使其适合于执行 DSP 算法 ,编译效率较高 ,指令 执行速度也较高 。在数字滤波 、FFT、谱分析等方面 DSP 算法正在大量进入嵌入式领域 ,DSP 应用正从 在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能 ,过渡到 采用嵌入式 DSP 处理器 。 (4) 嵌入式片上系统 (System On Chip) 随着 EDI 的推广和 VLSI 设计的普及化 ,及半导 体工艺的迅速发展 ,在一个硅片上实现一个更为复 杂的 系 统 的 时 代 已 来 临 , 这 就 是 System On Chip (SOC) 。各种通用处理器内核将作为 SOC 设计公司 的标准库 ,和许多其它嵌入式系统外设一样 ,成为 VLSI 设计中一种标准的器件 ,用标准的 VHDL 等语 言描述 ,存储在器件库中 。用户只需定义出其整个 应用系统 ,仿真通过后就可以将设计图交给半导体 工厂制作样品 。这样除个别无法集成的器件以外 , 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片 中去 ,应用系统电路板将变得很简洁 ,对于减小体积 和功耗 、提高可靠性非常有利 。 2 　嵌入式系统工业的特点 (1) 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的 工业 从某种意义上来说 ,通用计算机行业的技术是 垄断的 。占整个计算机行业 90 %的 PC 产业 ,80 % 采用 Intel 的 8x86 体系结构 ,芯片基本上出自 Intel , AMD ,Cyrix 等几家公司 。在几乎每台计算机必备的 操作系统和文字处理器方面 ,Microsoft 的 Windows 及 Word 占 80 - 90 % ,凭借操作系统还可以搭配其它应 用程序 。因此当代的通用计算机工业的基础被认为 是由 Wintel (Microsoft 和 Intel 90 年代初建立的联盟) 垄断的工业 。 嵌入式系统则不同 ,它是一个分散的工业 ,充满 了竞争 、机遇与创新 ,没有哪一个系列的处理器和操 作系统能够垄断全部市场 。即便在体系结构上存在 着主流 ,但各不相同的应用领域决定了不可能有少 数公司 、少数产品垄断全部市场 。因此嵌入式系统 领域的产品和技术 ,必然是高度分散的 ,留给各个行 业的中小规模高技术公司的创新余地很大 。另外 , 社会上的各个应用领域是在不断向前发展的 ,要求 其中的嵌入式处理器核心也同步发展 ,这也构成了 推动嵌入式工业发展的强大动力 。 器件是嵌入式系统产业的根本 ,嵌入式系统工 业的基础就是以应用为中心的“芯片”设计技术和面 向应用的软件产品开发技术 。 (2) 嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户 、面向产品 、面向应用 的 ,如果独立于应用自行发展 ,则会失去市场 。嵌入 式处理器的功耗 、体积 、成本 、可靠性 、速度 、处理能 力 、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约 ,这些 也是各个半导体厂商之间竞争的热点 。 和通用计算机不同 ,嵌入式系统的硬件和软件 都必须高效率地设计 ,量体裁衣 、去除冗余 ,力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能 ,这样才能在具 体应用对处理器的选择面前更具有竞争力 。嵌入式 处理器要针对用户的具体需求 ,对芯片配置进行裁 剪和添加才能达到理想的性能 ;但同时还受用户订 货量的制约 。因此不同的处理器面向的用户是不一 样的 ,可能是一般用户 ,行业用户或单一用户 。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 ,它 的升级换代也是和具体产品同步进行 ,因此嵌入式 系统产品一旦进入市场 ,具有较长的生命周期 。嵌 入式系统中的软件 ,一般都固化在只读存储器中 ,而 不是以磁盘为载体 ,可随意更换 ,所以嵌入式系统的 应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长 。另外 , 各个行业的应用系统和产品 ,和通用计算机软件不 同 ,很少发生突然性跳跃 ,嵌入式系统中的软件也因 此更强调可继承性和技术衔接性 ,发展比较稳定 。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性 ,一个体 系一般要存在 8 - 10 年的时间 。一个体系结构及其 相关的片上外设 、开发工具 、库函数 、嵌入式应用产 品是一套复杂的知识系统 ,用户和半导体厂商都不 会轻易地放弃一种处理器 。 (3) 嵌入式系统软件的特征 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 。 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单片机本身 中 ,而不是存贮于磁盘等载体中 。 ②软件代码高质量 、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 ,以减少程 

ΠΠ ΠΠ ΠΠ ΠΠ 2 ΠΠ ·95·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　信 　息 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001 年第 12 期 序二进制代码长度 、提高执行速度 。 ③系统软件 (OS) 的高实时性是基本要求 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 ,因此系统软件的实时性是基本要求 。 ④多任务操作系统是知识集成的平台和走向工 业标准化道路的基础 (4) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面 ,在上面 增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开 发 。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力 ,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 。 (5) 嵌入式系统软件需要 RTOS 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接 口 (API) ,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 操 作 系 统 (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 ;但是为了合理地调度多任务 、利用系统资 源 、系统函数以及和专家库函数接口 ,用户必须自行 选配 RTOS 开发平台 ,这样才能保证程序执行的实 时性 、可靠性 ,并减少开发时间 ,保障软件质量 。 (6) 嵌入式系统开发人员以应用专家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计 算机工程方面的专业人士 ,而嵌入式系统则是要和 各个不同行业的应用相结合的 ,要求更多的计算机 以外的专业知识 ,其开发人员往往是各个应用领域 的专家 。因此开发工具的易学 、易用 、可靠 、高效是 基本要求 。 3 　嵌入式系统的应用前景 嵌入式控制器的应用几乎无处不在 :移动电话 、 家用电器 、汽车 ……无不有它的踪影 。嵌入控制器 因其体积小 、可靠性高 、功能强 、灵活方便等许多优 点 ,其应用已深入到工业 、农业 、教育 、国防 、科研以 及日常生活等各个领域 ,对各行各业的技术改造 、产 品更新换代 、加速自动化化进程 、提高生产率等方面 起到了极其重要的推动作用 。 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就包含了 5 - 10 个嵌入式微处理器 。在制造工业 、过程控制 、 网络 、通讯 、仪器 、仪表 、汽车 、船舶 、航空 、航天 、军事 装备 、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用 领域 。 嵌入式系统工业是专用计算机工业 ,其目的就 是要把一切变得更简单 、更方便 、更普遍 、更适用 ;通 用计算机的发展变为功能电脑 ,普遍进入社会 ,嵌入 式计算机发展的目标是专用电脑 ,实现“普遍化计 算”,因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的 “数字基因”。正如我国资深嵌入式系统专家 —沈绪 榜院士的预言 ,“未来十年将会产生针头大小 、具有 超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”,将为我们 提供无限的创造空间 。总之“嵌入式微控制器或者 说单片机好象是一个黑洞 ,会把当今很多技术和成 果吸引进来 。中国应当注意发展智力密集型产业”。 参 　考 　文 　献 1 　吕京建. BOL System Inc. 从嵌入式系统的可靠性与可信性看 Y2K问题. 2 　穆玉刚 , 等. 嵌入式系统及其调试手段的研究 JOURNAL OF SHENYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY(Vol 18 No. 4. 1999. 3 　吕京建 ,等. 嵌入式 Internet 技术及其应用. http : www. bol - sys tem. com 4 　吕京建 ,肖海桥. 嵌入式处理器分类与现状. http : www. bol - system. com 5 　吕京建 ,肖海桥. 面向二十一世纪的嵌入式系统综述. http : www. bol - system. com 6 　Clarke Esler ,TASKING Inc. And Christopher S. Sontag ,emWare《Em bedded web for 8 - and 16 - bit MPUs》Components in Electronics. April 1999. 7 　Warren Webb. 嵌套技术促进汽车改革. http : www. ednchina. com 8 　吕京建 ,肖海桥. 嵌入式系统开发工具及 RTOS 平台. http : www. bol - system. com 9 　TASKING致力于嵌入式通信 ,推动 Internet 和通信解决方案. ht tp : www. bol - system. com 10 　嵌入式系统的 2000 年问题. 中国台湾省行政院主计处电子处 理资料中心. 11 　何立民. 建设单片机应用平台 , 实施平台开发战略. http : www. bol - system. com 12 　8 位和 16 位微控制器的嵌入式 Internet 接入. http : www. bol - system. com 13 　能提供 C 可编程性的低成本控制器. EDN 编辑部 ,EDN 2000. 责任编辑 :杨立民