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無所不在的嵌入式系統(tǒng)

多年前，比爾.蓋茨曾經預言，隨著后PC時代的到來，PC將無處不在。今天，伴隨著二十一世紀的曙光，嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展正驗證了比爾.蓋茨的預言，人類正迎來一個充滿希望的新時代——后PC時代。這是一個充滿機遇的時代，這是一個充滿商機的時代。人類在經歷了桌面系統(tǒng)的空前繁榮之后，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正風起云涌，廣泛進入到工業(yè)，軍事，通信，運輸，金融，醫(yī)療，氣象，農業(yè)等眾多領域。

通常情況下，人們往往會忽視自己身邊的嵌入式系統(tǒng)——比如手機，取款機或者電梯等等，在這些隨處可見的設備中就存在嵌入式系統(tǒng)，有時人們經常使用嵌入在汽車，電梯，PDA，程控交換機等設備中的小巧的計算機系統(tǒng)，而對此毫無察覺。此外，嵌入式系統(tǒng)還經常在工業(yè)機器人，醫(yī)療設備，衛(wèi)星，飛行系統(tǒng)等領域扮演著更為重要的角色。正是"看不見"和"無所不在"這樣的特性使得嵌入式計算機系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)。

一、嵌入式系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。目前嵌入式系統(tǒng)已經滲透到我們生活中的每個角落，工業(yè)、服務業(yè)、消費電子……，而恰恰由于這種范圍的擴大，使得“嵌入式系統(tǒng)”更加難于明確定義。

舉個簡單例子：一個手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系統(tǒng)呢?答案肯定是“是”。另外一個PC104的微型工業(yè)控制計算機你會認為它是嵌入式系統(tǒng)嗎?當然，也是，工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)技術的一個典型應用領域。然而比較兩者，你也許會發(fā)現(xiàn)二者幾乎完全不同，除了其中都嵌入有微處理器。那是否可以說嵌入著微處理器的設備就是嵌入式系統(tǒng)?那鼠標中也有單片機，能叫嵌入式系統(tǒng)嘛?

那到底什么是嵌入式系統(tǒng)?莫非嵌入式系統(tǒng)只是一個難以定義的抽象概念?

二、嵌入式系統(tǒng)的歷史

雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風靡起來的，但是這個概念并非新近才出現(xiàn)。從20世紀七十年代單片機的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已經有了近30年的發(fā)展歷史。

作為一個系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)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位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。

提示：早的單片機是Intel公司的 8048，它出現(xiàn)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字節(jié)的RAM、4K的ROM、4 個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定 時 器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了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為成功的單片機芯片，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(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。確切點說，這個時候的操作系統(tǒng)是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)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、內存管理等功能。其中比較著名的有Ready System 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(tǒng)都具有嵌入式的典型特點：它們均采用占先式的調度，響應的時間很短，任務執(zhí)行的時間可以確定;系統(tǒng)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(tǒng)的出現(xiàn)，使得應用開發(fā)人員得以從小范圍的開發(fā)解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。

90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)，并作為一種軟件平臺逐步成為目前嵌入式系統(tǒng)的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術的發(fā)展前景日益廣闊，相信會有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現(xiàn)。

在嵌入式系統(tǒng)領域，比較認同的嵌入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

三、嵌入式系統(tǒng)的應用領域

嵌入式系統(tǒng)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(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設備將獲得長足的發(fā)展，目前已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中，網絡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(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網安全、電網設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產品而言，低端型采用的往往是8位單片機。但是隨著技術的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得長足的發(fā)展。

2、交通管理：在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，嵌入式系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過電話線、網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。

4、家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)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(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。

5、POS網絡及電子商務：公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發(fā)行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，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(huán)境工程與自然：水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)無人監(jiān)測。

7、機器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領域和服務領域獲得更廣泛的應用。

這些應用中，可以著重于在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發(fā)出支持TCP/IP的嵌入式系統(tǒng)之外，家電產品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產廠家來做。同樣的道理，所有基于網絡的遠程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來控制并通過網絡實現(xiàn)控制。所以，開發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。