嵌入式系統(tǒng)及其發(fā)展方向_嵌入式系統(tǒng)就業(yè)前景

　　摘要：本文根據(jù)計(jì)算機(jī)在其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，介紹了嵌入式計(jì)算機(jī)的定義，分析了嵌入式系統(tǒng)工業(yè)及其開發(fā)的特點(diǎn)，總結(jié)了嵌入式微控制器在設(shè)計(jì)上采用了各種提高可靠性的新技術(shù)，并且概括了嵌入式處理器的發(fā)展趨勢(shì)。?
　　關(guān)鍵詞：嵌入式微控制器；嵌入式系統(tǒng)；嵌入式軟件工業(yè)?
　　中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??
　　
　　1 嵌入式系統(tǒng)的定義和特點(diǎn)?
　　
　　嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）是指用于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由包括微處理器、微控制器、定時(shí)器、傳感器等一系列微電子芯片與器件，嵌入在存儲(chǔ)器中的微型操作系統(tǒng)、控制應(yīng)用軟件組成，完成諸如實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測管理、移動(dòng)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理等各種自動(dòng)化處理任務(wù)。[1]
　　由嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）組成的系統(tǒng)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到任何微型或小型儀器及設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備和消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。?
　　1.1 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求?
　　從某種意義上來說，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是壟斷性的。占整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)90%以上的PC產(chǎn)業(yè)，采用Intel的體系結(jié)構(gòu)，芯片基本上出自Intel、AMD等幾家大公司。嵌入式系統(tǒng)則不同，嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)，充滿了競爭、機(jī)遇和創(chuàng)新，沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流和非主流，但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能由少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)高新技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。?
　　社會(huì)上的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動(dòng)嵌入式工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。?
　　1.2 嵌入式系統(tǒng)的特征?
　　嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。若獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場。?
　　嵌入式系統(tǒng)的核心部件，嵌入式微處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力和電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競爭的熱點(diǎn)。?
　　嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用時(shí)，對(duì)處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對(duì)用戶的具體需求，對(duì)芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能，由于嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。?
　　1.3 嵌入式系統(tǒng)軟件的特征?
　　嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對(duì)嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同，主要有以下幾點(diǎn)：?
　�。�1）軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。?
　�。�2）軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼長度，提高執(zhí)行速度。?
　�。�3）系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。?
　�。�4）多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成的平臺(tái)和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境，但是嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。?
　�。�5）嵌入式系統(tǒng)軟件需要實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）開發(fā)平臺(tái)。通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口（API），應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在系統(tǒng)軟件平臺(tái)上面運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)則不同，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，保障軟件質(zhì)量。[2] [3]
　　
　　2 嵌入式微控制器的發(fā)展趨勢(shì)?
　　
　　嵌入式微控制器的應(yīng)用幾乎無處不在：移動(dòng)電話、家用電器、汽車……。其應(yīng)用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動(dòng)化化進(jìn)程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動(dòng)作用。[4]??
　　2.1 功能越來越強(qiáng)大?
　　由于市場對(duì)多功能產(chǎn)品需求的增加和IT技術(shù)的推動(dòng)，嵌入式微控制器有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用空間和旺盛的生命力。各種微控制器根據(jù)自己在市場上的定位，也都有了很大發(fā)展，功能越來越強(qiáng)大。?
　　2.1.1 微控制器SoC化?
　　微控制器（MCU）可以集成越來越多的內(nèi)置部件。常用的部件有存儲(chǔ)器類、串行接口類、并行接口類、定時(shí)和時(shí)鐘類、專用和外圍接口類。甚至有的MCU，例如NS公司的MCU，把語音、圖像部件集成到單片機(jī)中，目的就是在單個(gè)器件中集成所有所需要用到的部件，構(gòu)成片上系統(tǒng)（SoC）。?
　　2.1.2 多核結(jié)構(gòu)處理器?
　　隨著嵌入式應(yīng)用的深入，特別是在數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，對(duì)處理器提出了更高的要求。多核結(jié)構(gòu)的處理器出現(xiàn)適應(yīng)了這種情況。?
　　Infineon公司的TC10GP和增強(qiáng)型TC1130都是三核（TriCore）結(jié)構(gòu)的微處理器，微控制器由三個(gè)核組成：微控制器和DSP核、數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器核、外圍專用集成電路（ASIC）。?
　　2.1.3 功耗更低?
　　現(xiàn)在新推出的微控制器的功耗越來越小，很多都有多種工作方式，包括等待、暫停、休眠、空閑、節(jié)電等工作方式。例如Philips的P87LPC762，空閑狀態(tài)下的電流為1.5mA，而在節(jié)電方式下電流只有0.5mA。很多微控制器還允許在低振蕩頻率下以極低的功耗工作。?
　　2.1.4 工作電壓范圍更寬?
　　擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍能工作是現(xiàn)在微控制器的一個(gè)特點(diǎn)，一般可以在3.3～5.5V的范圍內(nèi)工作，有些產(chǎn)品可以在2.2～6V的范圍內(nèi)工作。Motorola針對(duì)長時(shí)間處在待機(jī)模式的裝置所設(shè)計(jì)的超省電HCS08系列，把可工作最低電壓降到了1.8V。?
　　2.1.5 工藝更先進(jìn)、封裝更小?
　　微控制器的封裝水平已大大提高，它采用了各種帖片封裝形式，滿足了便攜式手持設(shè)備的需要。Microchip公司推出體積很小的6引腳PIC10F2XX系列MCU。NS（美國國家半導(dǎo)體）公司的嵌入式微控制器已把語音、圖像部件也集成到嵌入式微控制器中，如果從功能上講，它可以稱作是“萬用機(jī)”。[5]? ?
　　2.2 可靠性不斷提高?
　　近年來，嵌入式微控制器的生產(chǎn)廠家在嵌入式微控制器設(shè)計(jì)上采用了各種提高可靠性的新技術(shù)，這些新技術(shù)表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：?
　　（1）EFT（Electrical Fast Transient）技術(shù)?
　　EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，它是指在振蕩電路的正弦信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)迭加各種毛刺信號(hào)，如果使用施密特電路對(duì)其整形，則毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時(shí)，就可以消除這些毛刺，從而保證系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)正常工作。這樣，就提高了嵌入式微控制器工作的可靠性。
　�。�2）低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)?
　　在傳統(tǒng)的嵌入式微控制器中，電源及地線是在集成電路外殼的對(duì)稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對(duì)對(duì)稱點(diǎn)上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對(duì)嵌入式微控制器的內(nèi)部電路造成干擾�，F(xiàn)在，很多嵌入式微控制器都把地線和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個(gè)芯片的電流，另外還容易在印制電路板上布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲。?[6]
　　（3）采用低頻時(shí)鐘?
　　高頻外時(shí)鐘是噪聲源之一，不僅能對(duì)嵌入式微控制器應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還會(huì)對(duì)外界電路產(chǎn)生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對(duì)于要求可靠性較高的系統(tǒng)，低頻外時(shí)鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些嵌入式微控制器中采用內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)，即使在外部時(shí)鐘較低時(shí)，也能產(chǎn)生較高的內(nèi)部總線速度，既保證了速度，又降低了噪聲。?
　　
　　3 結(jié)束語?
　　
　　隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，嵌入式微控制器還會(huì)不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，最終人們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)：嵌入式微控制器與微機(jī)系統(tǒng)之間的距離越來越小，并且功能會(huì)越來越強(qiáng)大，因而將會(huì)更加廣泛地滲入到各類設(shè)備和產(chǎn)品中去。?
　　
　　參考文獻(xiàn)?
　　
　　[1]鄭文波.嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向[J].科技交流月刊，2003，（10）.?
　　[2]慕春棣.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.?
　　[3]梁合慶.當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)綜述與新的投資機(jī)遇[J].測控技術(shù)，2003，（4）.?
　　[4]姜立東.嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械電子出版社，2006. ?
　　[5]竇振中，宋鵬，李凱.單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. 2006-04.http：//www.省略.?
　　[6]孫秋野.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)典型模塊[M].北京：人民郵電出版社，2007.

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