EEPW论坛

过去，业界的研发活动主要集中在台式计算机上，但新兴技术与社会需求正在促使企业把
重心转向环境智能系统，即能够监测、遵从并响应人类及对象指令的嵌入式系统。
随着集成电路(IC)设计技术的飞速发展，中央处理单元(CPU)已经变成低成本器件。许多消
费电子设备已经嵌入CPU，并因而成为所谓的嵌入式系统。据Virginia Tech公司的Sandee
p K Shukla估计，嵌入式系统中所使用的CPU数量超过通用PC中CPU数量的30倍。
显而易见，现在需要将系统研究的重点从上述目标转移到新的方向，即从通用系统转向专
用系统，以及从性能转向可靠性、可用性、安全性、自主性、可扩展性、功能性、灵活性
、成本、体积、功耗及可管理性上。
嵌入式系统由专用硬件以及与之交互的软件可编程组件构成。它们一般是包含软件、硬件
及特定通信信道的专用系统。它们通常充当大型系统的一部分，并往往采用系统级芯片(S
oC)来实现，在这种方法中，软件提供功能及灵活性，硬件则提供性能。今天，嵌入式系统
已被用于各类领域，从家用电器到关键的导弹制导和航天应用。本文旨在深入探讨嵌入式
系统的设计挑战和市场趋势。
设计挑战
为嵌入式系统设计能够在其上运行、并能做出快速实时决策的软件，不仅困难而且经常出
错。很多这种系统都是关键任务系统，因此需要高可靠性保证、服务质量(QoS)约束和功耗
约束。这些因素使得企业很难根据应用设计不同等级的嵌入式系统。在设计嵌入式系统时
，工程师的生产率并没有随着系统复杂性增加而保持同步的指数式增长。因此，企业需要
鲁棒的设计方法，它们能保证正确的设计，或者在设计过程中提供验证方法，以确保满足
所有的设计约束。
因此，嵌入式系统设计方法涉及到设计的各个方面。例如，为嵌入式系统建模，以实现功
能或非功能性需求；将模型分割成恰当的硬件与软件部分，以满足性能需求，同时优化成
本、功耗和其它因素；以及从其它方面对实现及规范进行验证和确认等。这些是在设计任
何嵌入式系统时都需要考虑的主要挑战。
软/硬件并行设计是嵌入式系统设计的一项关键挑战。在设计过程中的主要问题是软硬件设
计的同步与集成。这要求控制一致性与正确性，但随着技术细节不断增加，这需要消耗大
量时间。目前，业界已经开发Polis、Cosyma及Chinook等多种方法和工具来支持集成式软
硬件协同设计。目标是提供一种统一的软硬件开发方法，它支持设计空间探索，并使系统
功能得以跨越硬件和软件平台复用。
预测嵌入式系统需要的资源是一项非常重要的任务，因为工程师籍此能检查系统是否满足
其资源和实时约束。对硬实时嵌入式系统而言，最重要的考虑因素是任务的“最坏情况执
行时间”(WCET)，因为它决定系统是否能满足其最后期限。INRIA(法国国家计算机科学与
控制研究所)正在进行一项研究，以便在给定硬件上自动获得应用的执行时间。INRIA已经
开发出一种能够为不同处理器和编程语言测定WCET的工具。
Java所具有的广泛特性使它成为嵌入式设备的理想工具。首先，Java独立于硬件平台，因
而具备可移植性。这可以帮助嵌入式行业降低应用开发的成本。由于Java能够在任何系统
上运行，因此应用开发可以在台式PC，而不是目标硬件平台上进行。其次，Java支持应用
程序的动态加载，这有助于扩展无线PDA的使用。不过，使用Java的缺点是需要有足够的资
源来运行应用。这些资源包括存储器、执行时间及功耗等，而它们全部是嵌入式设计的主
要约束条件。INRIA的一个开发小组与TI公司合作开发出一种Java虚拟机，并在无线PDA架
构上进行了验证。目前，该小组正在基于很强的软硬件协同性开发系统，以提供一种高性
能的Java嵌入式平台。

市场趋势

所有EDA供应商都已经推出一些嵌入式系统设计环境，如Synopsys公司的Co-Centric Syst
em Studio、Cadence公司的“虚拟元件协同设计”(VCC)以及CoWare公司的“CoWare N2C”
等。世界各地的大学也已经为嵌入式系统设计开发出各种工具。不过，这些工具一般只能
被用于有限的应用中。这个领域没有单个的完整解决方案。基于优秀设计方法学的点工具
是唯一适合嵌入式系统设计的方法。目前，业界正在从事方法学开发及点工具开发的研究
，因为它们都需要进行改进。
嵌入式系统可应用于各种行业，如航天/国防、制造、医疗、互联网、消费电子及电信设备
等。嵌入式系统市场可划分为以下四个部分：嵌入式软件；嵌入式处理器，可进一步细分
为微控制器、微处理器及数字信号处理器(DSP)；嵌入式存储器，如各种类型的RAM、ROM和
闪存等；以及嵌入式板卡。
嵌入式存储器市场预计在未来三年将出现最高的增长，其后是嵌入式软件、嵌入式处理器
及嵌入式板卡。表1列出了其中一些主要厂商。

本文小结

随着对低成本、小尺寸计算设备需求的增加，嵌入式系统变得越发重要。在过去几十年中
，有关嵌入式系统的研究已经使企业和工程师开发出各种创新的设备，这些设备广泛应用
于我们的日常生活中，使我们的生活变得更方便。目前，嵌入式领域的增长正在受新兴的
制造技术以及更快、更小、更节能的处理器的驱动。