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嵌入式系統(tǒng)與信息化
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     領域:工業(yè)以太網(wǎng)    
  • 點擊數(shù):2073     發(fā)布時間:2005-09-23 15:06:22
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敘述了嵌入式系統(tǒng)、嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)的特點。敘述了嵌入式系統(tǒng)對工業(yè)自動化設備、多媒體教育系統(tǒng)、信息社會的作用。提出了嵌入式系統(tǒng)是信息化社會的信息細胞。



1  嵌入式系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物

1.1  什么是嵌入式系統(tǒng)

    嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心,整合了計算機軟件,硬件技術(shù),通訊技術(shù)和微電子技術(shù),以“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入到應用系統(tǒng)的設備中,適用應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

對嵌入式系統(tǒng)較全面地理解應當從以下3方面來認識:

    (1)  硬件應由嵌入式處理器做基礎平臺;
    (2)  軟件應由嵌入式軟件為運行平臺;
    (3)  形式應是嵌入在設備中,各種設備有不同的外形及相應附屬配件,它只不過是其中的一個控制核心部件。

1.2  嵌入式處理器

嵌入式處理器的體系架構(gòu)可分為3種形式:

    (1)  IP(Intellectual Property)級架構(gòu)
    也就是片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)形式,即是依設備功能的需求,將不同的IP單元,集成在一塊芯片中,它包含有處理器功能,I/O接口功能及嵌入式軟件功能。

    (2)  芯片級架構(gòu)
    MCU、MPU、DSP(Digital Signal Processor,數(shù)字信號處理器)、RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機)等芯片,并將RAM、ROM(EPROM/ EEPROM/ Flash)及I/O接口芯片等組成相應的嵌入式系統(tǒng),相應的系統(tǒng)軟件,應用軟件是以固件形式固化在電子盤中,這是目前常用的嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)方式。

•  MCU、MPU屬于單片機系列。
•  DSP具有數(shù)字信號處理能力強,特別適合于聲音、圖像等多媒體信息系統(tǒng),但是其常規(guī)處理能力不強,尋址范圍有限,I/O功能弱及開發(fā)平臺問題,較少單獨作為嵌入式系統(tǒng)的處理器,而是與嵌入式處理器相結(jié)合,構(gòu)成更強大的功能。
•  RISC型處理器具有結(jié)構(gòu)簡單,處理速度快和處理功能強等優(yōu)點,因此,新型的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)采用RISC處理器,這種處理器目前典型的代表是ARM架構(gòu)處理器,世界上許多公司均基于ARM架構(gòu)開發(fā)出相應的微處理器芯片,如:

ATMEL公司:AT91系列MCU(采用ARM7TDMI內(nèi)核)。
Intel公司:SA-1110微處理器MPU(采用Strong ARM核)。
Cirros公司:EP及CL-PS系列手持式計算機產(chǎn)品的MPU(采用ARM720T核)。
Linkup Systems公司:L720互聯(lián)網(wǎng)處理器(采用ARM720T)。
Sharp公司:LH77790手持式產(chǎn)品中的MPU(采用ARM 7TD內(nèi)核)。
其他如Hyundai公司、OKI公司、Rohm公司、Samsung公司、Netsilicom公司等,其產(chǎn)品中均采用ARM內(nèi)核。

•  Xscale:是另外一種新型的微架構(gòu)處理器,它是新一代為無線手持式應用產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式處理器,是PCA開發(fā)式平臺架構(gòu)中應用于子系統(tǒng)與通訊子系統(tǒng)中的嵌入式處理器。

(3)  ×86處理器嵌入到應用系統(tǒng)中

    這樣可充分利用PC機的通用性和便利性,采用嵌入式操作系統(tǒng),并且將操作系統(tǒng)和應用軟件均固化在固態(tài)電子盤中,以縮小體積,增加可靠性。典型的產(chǎn)品有深圳市研祥智能科技股份有限公司的嵌入式CPU卡及威盛電子股份有限公司的C3 CPU卡。

1.3  嵌入式操作系統(tǒng)

由于嵌入式操作系統(tǒng)要固化在電子盤中,因而它應具備以下特點:

    (1)  代碼容量小,一般核代碼在幾K或稍高些;總代碼容量希望小于64K;
    (2)  面向應用,根據(jù)用戶功能要求配置中間件,可裁剪,可移植;
    (3)  實時性強,許多應用中要求相應速度塊,實時處理能力強,往往要求實時嵌入式操作系統(tǒng);
    (4)  可靠性高,無病毒等問題。

嵌入式操作系統(tǒng)依應用對象不同,大致可分為以下幾類:

    (1)  基于與Windows兼容的如:嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等;
    (2)  工業(yè)與通訊類:VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等;
    (3)  單片機類:IRMX、CMX、MC/OS等;
    (4)  面向Internet類:Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。

1.4  嵌入式系統(tǒng)形式
    嵌入式模塊應當是體積小、功耗低、易于嵌入到各種應用設備中,模塊外形可依設備需求而異,符合“量體裁衣”的原則,按需定制、按需配置、按需重構(gòu)。

1.5  嵌入式系統(tǒng)特點

    (1)  功能適用,夠用;
    (2)  可靠性高,無病毒,存儲介質(zhì)無機械硬盤,抗干擾能力強;
    (3)  體積和尺寸小;
    (4)  功耗低,無需散熱風扇,無噪音;
    (5)  價格低,市場競爭力強;
    (6)  環(huán)境適應性強;
    (7)  操作使用人性化、儀表化;
    (8)  有多種類型的軟件、硬件支持平臺;
    (9)  無需經(jīng)常更新?lián)Q代;
    (10)  可充分發(fā)揮設計者的才能,創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。

2  嵌入式系統(tǒng)促進工業(yè)自動化裝備的發(fā)展

    嵌入式系統(tǒng)應用范圍十分廣泛,可應用于各行各業(yè),它是信息化建設的基石,如果說PC機在過去幾年的發(fā)展是一支獨秀,今天嵌入式系統(tǒng)的應用則是百花齊放。

    它可應用于制造工業(yè)、儀器儀表過程控制、信息化教育、信息家電、通訊、樓宇智能化、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、商用POS和稅控收款機、消費類產(chǎn)品等領域。

    嵌入式技術(shù)有力地促進了工業(yè)自動化裝備地發(fā)展,在儀器儀表領域;智能化儀表在許多方面均是應用嵌入式技術(shù),如醫(yī)療儀器、分析儀器、溫度儀表、流量儀表、記錄儀等。

在工業(yè)自動化領域;嵌入式系統(tǒng)地應用產(chǎn)品可分為4個方面:

(1)  智能傳感器
    工業(yè)測量中的溫度、流量、壓力、液位、聲音等傳感器,采用嵌入式技術(shù)后,可實現(xiàn)信號處理,非線性校正、溫度補償、公式運算、量程變換、數(shù)字信號輸出、滿足現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸。

(2)  信號變化單元

    目前很多信號變換模塊采用了微處理器,如“亞當”系列信號變換模塊;具有RS-232轉(zhuǎn)換RS-422/485模塊;模擬量模塊;開關(guān)量和計數(shù)器模塊;嵌入式控制模塊;Internet嵌入式控制器模塊等。

(3)  現(xiàn)場控制器

    現(xiàn)場控制器包括DAS(數(shù)據(jù)采集器)、DDC(直接數(shù)字控制器)、PLC(可編程控制器)、模糊控制器、協(xié)調(diào)控制器及多功能控制器等。以往均采用工業(yè)PC及插入相應的I/O卡進行處理,帶來了硬盤可靠性、病毒、操作系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題,從而影響了系統(tǒng)可靠性。筆者認為嵌入式系統(tǒng)最適合這一級的產(chǎn)品技術(shù),采用嵌入式現(xiàn)場控制器,用固態(tài)盤代替硬盤,用嵌入式操作系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Windows98/2000操作系統(tǒng),并將操作系統(tǒng),應用組態(tài)軟件固化,從而產(chǎn)生了新一代嵌入式現(xiàn)場控制器,它將極大地提高系統(tǒng)可靠性,縮小了體積,減少了成本,增強了抗病毒和抗干擾能力,適用于工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

(4)  嵌入式工控機

    近幾年來,嵌入式工控機隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展也應運而生,它分2個方面的應用。

    一是嵌入式工控卡:如嵌入式Compact PCI卡、嵌入式2.5英寸單板計算機卡、嵌入式3.5英寸單板計算機卡、嵌入式POS和NET卡等。

    二是嵌入式工控機:最近許多公司推出了嵌入式工控機,采用嵌入式CPU、嵌入式操作系統(tǒng)Linux或Windows CE、各類嵌入式I/O模塊、從而構(gòu)成體積小,可靠性高的新型工控機。

3  嵌入式系統(tǒng)給多媒體教育系統(tǒng)帶來了生動的活力

    近二年,多媒體教育系統(tǒng)發(fā)展迅速,包括多媒體教室、中控系統(tǒng)、語音教室、視頻會議系統(tǒng)等,突出一點是許多多媒體教育系統(tǒng)采用了嵌入式系統(tǒng),替代了采用傳統(tǒng)PC機作為教育終端機。這主要是因為傳統(tǒng)PC機式的終端機存在著PC機所有的缺點,如病毒侵入、可靠性問題、死機現(xiàn)象、維護問題、操作方式不便缺乏人性化等。而采用嵌入式教育終端機則克服了上述PC機終端機的不足,大大增強了系統(tǒng)可靠性,使用的方便性及免維護性等。北京中慶現(xiàn)代技術(shù)有限公司推出的嵌入式網(wǎng)絡教育專用計算機(終端機)是一個十分典型的嵌入式系統(tǒng)應用產(chǎn)品。嵌入式CPU采用×86,另外具有4個DSP芯片,作為專用數(shù)據(jù)處理器,每個處理器速度都在1G以上,分別處理視頻圖像信息、音頻信息、網(wǎng)絡通訊及人機交互信息,嵌入式CPU只用于控制、分配任務、操作系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks,很好地將嵌入式技術(shù)融入多媒體教育系統(tǒng)中。

    嵌入式網(wǎng)絡教學終端機具有獨立地IP地址,與標準計算機一道在校園網(wǎng)絡中任意漫游,較好地解決了“校校通”問題,使教育終端機進入各教室,對教室內(nèi)電視機、音箱及攝像機、云臺等設備進行管理和使用。嵌入式網(wǎng)絡教學計算機的特點如下:

    (1)  構(gòu)建于Internet技術(shù)的標準網(wǎng)絡產(chǎn)品:內(nèi)置10/100M自適應以太網(wǎng)接口,采用TCP/IP通訊協(xié)議;
    (2)  完全數(shù)字化:處理音頻、視頻、課件等多媒體數(shù)據(jù),采用MPEG2格式在網(wǎng)絡中傳輸;
    (3)  強大的音、視頻處理能力;
    (4)  采用Client/Sever技術(shù):與服務器協(xié)同計算,進一步加強了多媒體處理能力;
    (5)  豐富的軟件支持、易于操作的人機界面:方便地實現(xiàn)VOD視頻點播、MOD教學課件點播、AOD音頻點播和廣播、以及管理軟件、教學軟件等;
    (6)  智能的網(wǎng)絡流量控制技術(shù):采用MPEG編碼技術(shù)和自適應的網(wǎng)絡帶寬分配技術(shù),可以在有限的網(wǎng)絡帶寬內(nèi)容納更多的多媒體數(shù)據(jù);
    (7)  內(nèi)嵌先進的視頻處理轉(zhuǎn)換模塊;可以輸出CVBS、S-Video和VGA三種視頻格式;
    (8)  優(yōu)良的播放效果:采用數(shù)字化技術(shù),減少音、視頻信號的失真;
    (9)  強大的功能:支持課件播放、遠程聽課、標準化考場、一鍵上課、一鍵上網(wǎng)、統(tǒng)一的課件資源管理、同時并發(fā)點播等功能;
    (10)  很高的可靠性:采用Flash盤不會損壞,采用嵌入式軟件免受病毒困擾,堅固的壁掛式結(jié)構(gòu),免招學生觸摸或自行卸拆;
    (11)  遙控器一鍵式功能操作,使教師操作簡單,并可在教室范圍內(nèi)走動隨時隨地隨講進行操作。

    上述例子充分說明了嵌入式系統(tǒng)不僅僅是執(zhí)行一些簡單的功能,而且能夠?qū)崿F(xiàn)很強的功能,充分體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)給多媒體教育系統(tǒng)和教育信息化帶來了充分的活力和無限的生機。


4  嵌入式系統(tǒng)是信息化社會不可分割的部分嵌入式系統(tǒng)是構(gòu)建21世紀和諧社會的信息細胞。

4.1  信息化社會要構(gòu)建數(shù)字城市、智能城市均離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù),如交通智能化離不開智能終端。


    商業(yè)領域:POS機、稅控收款機、彩票投主機、銀稅一體機、其控制器本身均采用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品;
    信息家電:數(shù)字家電、數(shù)字機頂盒、家庭網(wǎng)絡等;
    汽車電子:控制系統(tǒng)、黑盒子(行駛記錄儀)、電子地圖等;
    軍事:航空、航天、指揮儀、坦克內(nèi)部裝配等;
    通訊:PDA、手機、通訊控制器、安全檢測器、防火墻、交換機、路由器等;
    嵌入式網(wǎng)絡計算機NC:近年來正迅速發(fā)展,稱作為后PC時代的產(chǎn)品,主要是基礎平臺正是嵌入式技術(shù),采用Windows CE或Linux嵌入式操作系統(tǒng),CPU采用國產(chǎn)方舟二號芯片或×86系列芯片。

4.2  從e到u的信息細胞

    在現(xiàn)今全球信息化的環(huán)境中,導入信息化事物往往扣上字母e,如:e-business(電子商務)、e-government(電子政務)、e-market(電子市場)等。

    但隨著無所不在的運算(ubiguitous computing)及移動通信技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸將u(ubiguitous,意指“無所不在”)來取代e,各國均從u作為國家信息化的發(fā)展戰(zhàn)略,如:u-Japan,u-Korea計劃。

    人們將從構(gòu)建和諧社會,經(jīng)濟發(fā)展為基點,充分發(fā)展信息化,u計劃可作為借鑒。u計劃的發(fā)展正是嵌入式系統(tǒng)用武之地,構(gòu)成u計劃的信息細胞。

5  嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡技術(shù)的結(jié)合,給國際信息化事業(yè)帶來益處

    Internet現(xiàn)已成為國際社會重要的基礎信息設施,是信息流通的重要渠道,將嵌入式系統(tǒng)能連接到Internet上面,則可以方便、低廉地信息傳送到幾乎世界上地任何一個地方,專家們預測2000~2010年是嵌入式Internet時代,它將給地球披上“電子皮膚”。嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)成為瘦服務器,在這一時代將會產(chǎn)生比PC時代多成百上千倍地瘦服務器和超級嵌入式瘦服務器,這些瘦服務器將與世界上各種物理信息、生物信息、社會信息相聯(lián)接,通過Internet網(wǎng)自動、實時、方便、簡單地提供給需要這些信息地對象。

    下一代網(wǎng)絡設備中嵌入式系統(tǒng)設備將大大增加,約70%為嵌入式設備,并與Internet相聯(lián)。

    嵌入式智能芯片是構(gòu)成未來世界的“數(shù)字基因”。未來10年將會產(chǎn)生針頭大小、具有超過1億次運算能力地嵌入式智能芯片,將為人們創(chuàng)造出無限地創(chuàng)造空間,新的嵌入式系統(tǒng)時代即將來臨。

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