嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及未來課件

1、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 及未來始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支發(fā)展電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生于1946年，在其后漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)始終是供養(yǎng)在特殊的機(jī)房中，實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)才出現(xiàn)了歷史性的變化。將微型機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，稱作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去，這是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。 始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用 由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要嵌

2、入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)象的智能化控制，因此，它有著與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支技術(shù)要求技術(shù)發(fā)展方向通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速、海量的數(shù)值計(jì)算總線速度的無限提升，存儲(chǔ)容量的無限擴(kuò)大對(duì)象的智能化控制能力與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性早期，人們勉為其難地將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，在大型設(shè)備中實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，對(duì)于眾多的對(duì)象系統(tǒng)（如家用電器、儀器儀表、工控單元），無法嵌入通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同。必須獨(dú)立地發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的

3、兩大分支。 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生，則標(biāo)志了計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展時(shí)代?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 發(fā)展目標(biāo)是單芯片化。它動(dòng)員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家與專業(yè)人士，接過起源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，承擔(dān)起發(fā)展與普及嵌入式系統(tǒng)的歷史任務(wù)，迅速地將傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支的意義形成了計(jì)算機(jī)發(fā)展的專業(yè)化分工將發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的任務(wù)擴(kuò)展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域使計(jì)算機(jī)成為進(jìn)入人類社會(huì)全面智能化時(shí)代的有力工具。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支 嵌入式系統(tǒng)的含義及分類 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)

4、現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)被定義為: 以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物,這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。目前嵌入式系統(tǒng)除了部分為32 位處理器外,大量存在的是8 位和16 位的嵌入式微控制器(MCU) ,嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的另一種形態(tài)。嵌入式系統(tǒng)的含義及分類目前根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀,嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類: (1) 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Un

5、it,EMPU) 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中,將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上,只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求,嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。 嵌入式系統(tǒng)的含義及分類(3) 嵌入式DSP處理器( Embedded Digital SignalProcessor , EDSP) 嵌入式系統(tǒng)的含義及分類 DSP 處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),使其適合于執(zhí)行DSP算法,編譯效率較高,指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FF

6、T、譜分析等方面,DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域,DSP 應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能,過渡到采用嵌入式DSP處理器。(4) 嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) 隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化,以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展,在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨, 這就是System On Chip(SOC) 。 嵌入式系統(tǒng)的含義及分類(2)嵌入式系統(tǒng)是面向用戶，特定產(chǎn)品和具體應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的,如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展,則會(huì)失去市場(chǎng)；嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求

7、的制約；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(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能；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,因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng),具有較長(zhǎng)的生命周期。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)(3) 嵌入式系統(tǒng)對(duì)軟件有高要求 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。軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求多任務(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)工業(yè)的特點(diǎn)(4) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要特定的開發(fā)環(huán)境和

8、開發(fā)工具 通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面,在上面增加一些應(yīng)用程序和開發(fā)環(huán)境即可進(jìn)行對(duì)自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力,即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的,必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā),這些工具和環(huán)境是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)（5) 嵌入式系統(tǒng)軟件需要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操作系統(tǒng)(OS)平臺(tái)上運(yùn)行,但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同,應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行;但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)

9、、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口,用戶必須自行選配RTOS 開發(fā)平臺(tái),這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性,并減少開發(fā)時(shí)間,保障軟件質(zhì)量。 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)(6) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主 通用計(jì)算機(jī)的開發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程方面的專業(yè)人士,而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的,要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專業(yè)知識(shí),其開發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn) 嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已影響到我們生活的方方面面, 幾乎無處不在, 我們的移動(dòng)電話、家用電器、汽車等無不有它的蹤影。嵌入式技術(shù)將使日常使用的設(shè)備具有智能, 使它們具備學(xué)習(xí)與記憶的能力,

10、 能夠按照使用者的喜好及所處的環(huán)境做出回答。 嵌入式控制器因其體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、靈活方便等許多優(yōu)點(diǎn), 應(yīng)用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國(guó)防以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域, 對(duì)各行各業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動(dòng)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。如果說推動(dòng)數(shù)字革命的動(dòng)力最早是大型機(jī), 第二波動(dòng)力是PC 機(jī), 那么嵌入式技術(shù)便是推動(dòng)數(shù)字革命的第三波動(dòng)力。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用前景 英特爾中國(guó)研究院將主攻嵌入式方向 在4月12日的2010英特爾信息技術(shù)峰會(huì)“技術(shù)前瞻日”上，英特爾中國(guó)研究院公布了新的戰(zhàn)略，宗旨是立足中國(guó)、服務(wù)中國(guó)，致力于打造世界一流的嵌入式系統(tǒng)研究院。 英特爾首席技術(shù)官在會(huì)上表示，

11、英特爾中國(guó)研究院是去年10月份從原來的英特爾中國(guó)研究中心升級(jí)而來，成立后，“我們用了6個(gè)月的時(shí)間來探討和確定英特爾中國(guó)研究院的研究方向。討論的方向包括云計(jì)算、高性能計(jì)算、汽車、醫(yī)療保健、游戲等，但經(jīng)過考察之后，我們發(fā)現(xiàn)這些都有一個(gè)共同的主題，就是嵌入式。為此，我們最終將嵌入式系統(tǒng)的前沿研究確定為英特爾中國(guó)研究院的新的主攻方向。” 物聯(lián)網(wǎng)為人、機(jī)、物等3種對(duì)象的智慧型整合網(wǎng)路，強(qiáng)調(diào)個(gè)別物件的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控與管理。物聯(lián)網(wǎng)重視感、知、行三要素，藉由資訊採(cǎi)集、資訊闡述、資訊處理，進(jìn)一步完成人與物、物與物間的智慧型溝通與控制。 物聯(lián)網(wǎng)首先涉及的是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要係以無線射頻識(shí)別 (Radio

12、Frequency Identification；RFID)技術(shù)為主。RFID具標(biāo)籤體積小、式樣多、壽命長(zhǎng)、安全性高等特色，其記憶體容量可達(dá)128Kbit，具可穿透式讀寫、多標(biāo)籤同時(shí)讀寫、可重複讀寫等非接觸式電子標(biāo)籤識(shí)別功能。物聯(lián)網(wǎng)是嵌入式應(yīng)用的機(jī)會(huì)與未來之一 嵌入式RFID應(yīng)用一般是將RFID讀寫器(模組)包含在產(chǎn)品或系統(tǒng)中，以增加該產(chǎn)品或系統(tǒng)的RFID讀寫功能，如票卡感應(yīng)匣門、圖書館自動(dòng)化借書柜臺(tái)、超市商品查詢機(jī)等。在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用上，將出現(xiàn)許多整合溫度、濕度、壓力等環(huán)境參數(shù)的嵌入式RFID系統(tǒng)，如自動(dòng)檢測(cè)胎壓及引擎溫度的智慧型車機(jī)系統(tǒng)。將RFID標(biāo)簽嵌入感測(cè)器中，可用于監(jiān)測(cè)不同位置的物理或

13、環(huán)境狀況(如聲音、振動(dòng)、移動(dòng)或污染物等)。物聯(lián)網(wǎng)是嵌入式應(yīng)用的機(jī)會(huì)與未來之一一、數(shù)字家庭概念 比爾蓋茨曾給我們描述過一個(gè)用IT技術(shù)構(gòu)筑的“人間天堂”：每個(gè)房間都被無線智能化控制、自動(dòng)根據(jù)人體調(diào)節(jié)室內(nèi)最佳溫度、語(yǔ)音控制房間內(nèi)所有的電器，不用動(dòng)手所有物品得心應(yīng)手。這就是無線數(shù)字家庭的未來藍(lán)圖，盡管現(xiàn)在看來是那么遙不可及，但事實(shí)上，“數(shù)字家庭”正伴隨著無線IT技術(shù)的發(fā)展向我們走來 數(shù)字家庭是嵌入式技術(shù)未來應(yīng)用熱點(diǎn) 二、數(shù)字家庭應(yīng)用方向 目前能實(shí)現(xiàn)的數(shù)字家庭應(yīng)用方向主要有網(wǎng)絡(luò)寬帶、新潮電子、視聽享樂、智能家居等。 網(wǎng)絡(luò)寬帶。網(wǎng)絡(luò)寬帶是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)一大部分，網(wǎng)絡(luò)寬帶可以承載多樣化的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，例如：網(wǎng)絡(luò)

14、互動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、網(wǎng)絡(luò)電話。 視聽享樂。數(shù)字家庭生活中最為突出的有家庭影院、bose類及Mini影院，家庭數(shù)字音響等。 新潮電子。各種各樣的數(shù)字家電產(chǎn)品，高科技含量高的產(chǎn)品。如可上網(wǎng)手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)MP3 、迷你版PS2游戲機(jī)、視像眼鏡、智能洗衣機(jī)、會(huì)吹涼風(fēng)的鼠標(biāo)、停電保鮮冰箱、汽車電器等 智能家居。包含可視門鈴、 智能鬧鐘、智能化背景音樂、智能化窗簾等等。它以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化；集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。 數(shù)字家庭是嵌入式技術(shù)未來應(yīng)用熱點(diǎn)數(shù)字家庭 數(shù)字家庭是嵌入式技術(shù)未來應(yīng)用熱點(diǎn)三、世界各國(guó)數(shù)字家庭發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)各個(gè)不同

15、的市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告，數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)面臨巨大的發(fā)展前景。在世界的各個(gè)國(guó)家，目前都對(duì)數(shù)字家庭和數(shù)字建設(shè)有很大的投入。美國(guó)基本上實(shí)現(xiàn)了有線數(shù)字電視的數(shù)字化；而日本廠商非常積極，應(yīng)用于信息和家電行業(yè)，他們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)化方面非?；钴S；韓國(guó)以政府的形式，成立了數(shù)字家庭促進(jìn)委員會(huì)，并且形成了很多應(yīng)用，開發(fā)了大量的游戲；在歐洲也提出了很明確的數(shù)字化目標(biāo)，包括法國(guó)、愛爾蘭、挪威、芬蘭在2010年完成模擬電視向數(shù)字電視的轉(zhuǎn)換。數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)化用戶有一個(gè)巨大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外這方面的發(fā)展呈現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)的趨勢(shì)。我國(guó)的數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)亟待發(fā)展 2010年，中國(guó)市場(chǎng)也將是數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)最具發(fā)展的市場(chǎng)之一。如何取悅用戶，提供多樣的數(shù)字服務(wù)？成為包括

16、寬帶網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及4C融合產(chǎn)品（個(gè)人電腦、消費(fèi)電子、通信、內(nèi)容）等數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)核心的共同目標(biāo)。數(shù)字家庭市場(chǎng)調(diào)研顯示：2009年僅數(shù)字電視所帶來的相關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)發(fā)展總規(guī)模在10,000億元以上。為數(shù)字芯片、智能家居集成、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)等方面的商家?guī)砭薮笊虣C(jī)。數(shù)字家庭是嵌入式技術(shù)未來應(yīng)用熱點(diǎn)四、發(fā)展中的數(shù)字家庭技術(shù) 從目前眾多的數(shù)字家庭技術(shù)中來看，中國(guó)數(shù)字家庭行業(yè)不同時(shí)期的技術(shù)發(fā)展情況主要分為三種技術(shù)方案代表：基于PC架構(gòu)的數(shù)字家庭技術(shù)基于單片機(jī)架構(gòu)的數(shù)字家庭技術(shù)基于嵌入式架構(gòu)的數(shù)字家庭技術(shù)三種技術(shù)方案 簡(jiǎn)單來說， PC架構(gòu)的智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)于中國(guó)數(shù)字家庭的萌芽階段，基本上停

17、留在向使用者展示數(shù)字家庭的概念，實(shí)用性不強(qiáng)，屬于第一代。 目前，很多中國(guó)數(shù)字家庭廠商研制的基于單片機(jī)架構(gòu)的智能控制系統(tǒng)在實(shí)用性、易用性和專業(yè)性方面有了很大程度上的提高，屬于第二代。 基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字家庭系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于需求引導(dǎo)不足以及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，缺乏供智能家居產(chǎn)品使用和推廣普及的平臺(tái)，不過隨著嵌入式技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用，隨著成本的逐步降低，中國(guó)的數(shù)字家庭最終將走向嵌入式。 五、嵌入式技術(shù)在數(shù)字家庭的應(yīng)用 嵌入式技術(shù)的蓬勃興起和無線技術(shù)的迅速發(fā)展為數(shù)字家庭行業(yè)指明了技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，提供了技術(shù)革新的有利武器。 嵌入式技術(shù)協(xié)助社區(qū)中的數(shù)字家庭解決以下問題：防火防盜、煤氣泄漏自動(dòng)報(bào)警、可視門鈴門鏡系統(tǒng)、緊急呼叫、水電煤氣自動(dòng)抄送、IC卡智能車場(chǎng)管理、網(wǎng)上購(gòu)物、網(wǎng)上求醫(yī)、網(wǎng)上學(xué)校、老幼病人的遠(yuǎn)程看護(hù)、金融郵政交通