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 一  概述

1  嵌入式系统的定义和市场前景

嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。

PC机主要应用在办公室自动化领域，而嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活中，从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等。今天，嵌入式系统带来的工业年产值已超过1万亿美元。美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时曾预言，4~5年后嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。据统计，嵌入式处理器的数量占分散处理器的94%，而PC机用的处理器只占6%。汽车大王福特公司的高级经理曾称：“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM！”用市场观点来看，PC已经从高速增长进入到平稳发展时期，其年增长率由上世纪90年代中期的35%逐年下降，单纯由PC机带领电子产业蒸蒸日上的时代已经成为历史，根据PC时代的概念，美国Business week 杂志提出了“后PC时代”概念。

根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，21世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10至100倍的商机。1998年在芝加哥举办的嵌入式系统会议上，与会专家一致认为，21世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带来革命性的发展，实现“PCs Everywhere”的生活梦想。

2  嵌入式系统的几个发展阶段

嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶段。

第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。

第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。

第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。

第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。

综上所述，嵌入式系统技术日益完善，32位微处理器在该系统中占主导地位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、Internet结合日益密切，因而，嵌入式系统应用将日益广泛。

3  嵌入式系统的技术特点

–  嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统 嵌入式系统麻雀虽小，五脏俱全，软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件，硬件除了CPU外，还需有外围电路支持，微处理器、微控制器、DSP已构成嵌入式系统硬件的基础。

–  嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统 嵌入式系统的发展离不开应用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌入式系统技术日益完善，各种高性能嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源开销小的高性能价格比的一类应用系统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠性的要求，大多使用Flash Memory。

–  嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统 嵌入式系统应用的广泛性，要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统，使用它应如同使用家用电器一样方便。

4  嵌入式系统的发展趋势

–  低功耗嵌入式系统 为满足高可靠性要求，低功耗的系统将应运而生。

–  Java虚拟机与嵌入式Java 开发嵌入式系统希望有一个方便的、跨平台的语言与工具，Java正是用Java虚拟机实现Java程序独立于各机种的平台。经过努力，一个支持嵌入式系统开发的、足够小、足够快、又有足够确定性的嵌入式Java程序包已经出现，Java虚拟机与嵌入式Java将成为开发嵌入式系统的有力工具。

–  嵌入式系统的多媒体化和网络化 随着多媒体技术的发展，视频、音频信息的处理水平越来越高，为嵌入式系统的多媒体化创造了良好的条件，嵌入式系统的多媒体化将变成现实。它在网络环境中的应用已是不可抗拒的潮流，并将占领网络接入设备的主导地位。

–  嵌入式系统的智能化 嵌入式系统与人工智能、模式识别技术的结合，将开发出各种更具人性化、智能化的嵌入式系统。
二  嵌入式系统的核心硬件

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已有上千种之多。其中，我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。实际上，几十年来，各种4、8、16和32位的处理器在嵌入式系统中都有广泛应用。嵌入式系统的处理器可以分为两大类：一类是采用通用计算机的CPU为处理器，如X86系列；另一类为微控制器和DSP，微控制器具有单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点，成为嵌入式系统的主流器件。

当前，嵌入式系统处理器的发展趋势主要采用32位嵌入式CPU，其主流系列有ARM(包括Intel公司的strong ARM和XScale)、MIPS和SH三大系列。

嵌入式系统CPU的另一类型为DSP。当前，DSP处理器的典型结构是单片化嵌入式DSP，如TI公司的TMS320系列；另一类是在通用CPU或单片系统中增加DSP协处理器，如Intel公司的MCS-296等。还有一种类型是选用嵌入式单片系统SOC(System On a Chip)。

其中，特别要指出，RISC技术为计算机体系结构带来了一次重大的变革。简单的、固定长度的、单周期执行指令的RISC计算系统，与传统、复杂、可变长度指令并行执行的CISC计算机系统相比较，在相同的条件下，RISC技术的速度快2~5倍，具有巨大的性价比优势。RISC技术推动着计算机体系结构从封闭的CISC向开放的结构发展。因此，世界上各大CPU芯片制造厂商争相开发生产RISC芯片，目前的典型结构为ARM系列、MIPS和SH，32位字长，最高时钟速率可达400MHz。多种嵌入式实时操作系统大都支持上述RISC处理器。

国际上有一种新的趋向，即可以购买IP知识产权核模块，即现有的IC电路模块的设计，在其基础上，可根据需求将多个IP模块组合起来或经修改，形成自己的新的设计。由此可见，半导体芯片的设计现已不难了。其中，尤以ARM的应用最为典型，各半导体厂商大多可生产ARM的衍生产品。

三  嵌入式实时操作系统

嵌入式系统的概念出现在20世纪70年代。当时，大部分嵌入式系统的软件都是由汇编语言编篡而成，它只能应用于某种特定的微处理器和应用，当然，对于某些简单的应用是足够了。自1981年发展了世界上第一个商业嵌入式实时操作系统（VRTX32）至今，嵌入式实时操作系统已有20多年的发展历程。20世纪80年代的产品还只支持16位的微处理器，只有内核，以销售二进制代码为主，当时的产品如VRTX、PSOS等，主要用于军事和电信设备。进入20世纪90年代，现代操作系统的设计思想，如微内核设计技术和模块化的设计思想已开始渗入其中，特别是互联网日渐风行，用户都要求有网络（即支持浏览器）和图形功能，并能方便使用大量现有的软件代码，希望支持标准的API，如Posix、Win32等，并希望其开发环境与大家熟悉的Unix、Windows一致，出现了几十种产品，代表性的有VxWorks、QNX、Nucleus和WinCE等。

20世纪90年代后，嵌入式实时操作系统已在嵌入式系统中确立了主导地位，在技术上具有如下突出的特征：

(1)  因新的处理器越来越多，嵌入式实时操作系统的设计更易于移植，以便在短时间内支持多种微处理器。

(2)  开放源代码之风盛行，相当多的厂家在出售实时操作系统时，就附加了源代码并含生产版权。

(3)  电信设备、控制系统要求高的可靠性，迫使这些厂家下功夫提高性能，VxWorks等对支持高可用性和热切换性都下了一番功夫。

(4)  嵌入式Linux在消费电子设备中得以广泛应用，Linux得到了相当广泛厂商的支持和投资。RT-Linux产品也取得了很大的进展。由32位嵌入式CPU与嵌入式RT-Linux相结合，在家用电器、工业控制和军工装备方面将大有可为。

嵌入式实时操作系统典型产品如下：

–  VxWorks WindRiver公司的高性能可扩展的实时操作系统，具有嵌入实时应用中最新一代的开发和执行环境，支持多种处理器和开发平台，并有多种开发工具，是目前世界上应用最广泛的产品。

–  PSOS ISI公司研发的产品，该产品推出时间较早，因此比较成熟，可以支持多种处理器，曾是国际上应用最广泛的产品，主要应用领域是远程通信、航天、信息家电和工业控制。但该公司已被WindRiver公司兼并，并将推出VxWorks与PSOS合二为一的产品。

–  VRTX 是国际上最早推出的实时系统之一，比较成熟。其特点是内核紧凑，在模块化方面比原系统有重大的改善。

–  Nucleus 其特点是约95%的代码用C语言编写，方便移植，同时，可提供web支持、网络、图形、文件系统等模块。可全部提供源代码，用户只需通过DLL动态连接便可进行任务级调试。

–  Lynx 具有Unix兼容，符合Posix标准。是专为要求快速确定相应的、复杂的实时应用设计的，它能为在任何一个Unix平台上的应用提供相当高程度源级水平上的兼容。

–  Windows CE是微软公司嵌入式实时应用系统，支持众多的硬件平台，其最主要特点是拥有与桌上型Windows家族一致的程序开发界面，因此，桌上型Windows家族上开发的程序就能在WinCE上运行。但嵌入式操作系统追求高效、节省，WinCE在这方面是笨拙的，它占用内存过大，应用程序庞大。

–  RT-Linux 是一种提供源代码、开放式自由软件，具有嵌入式操作系统的很多特色，突出的优势是适用多种CPU和多种硬件平台，性能稳定，裁剪性好，开发和使用都很容易。它是发展未来嵌入式设备的绝佳资源。国内也有不少单位在RT-Linux方面做了大量卓有成效的工作，具有广泛的应用前景。

此外，后PC时代的众多产品，如手持设备等，并不需要强实时性，PalmOS、JavaOS等应运而生。而Qssl公司拥有的QNX是一种限于X86平台的可提供集成化开发环境的实时操作系统。OS/9 在DVD等产品中则有广泛应用。
四  发展和应用我国自主的嵌入式系统技术

1  嵌入式系统为我们提供了创新空间

(1)  IT产业中主要是IC和软件为核心技术，而核心技术的重点是：

–  IC中以CPU为最复杂，所有硬件都受其控制；

–  软件中，OS是软件的“平台”，OFFICE是关键应用，数据库也非常重要；

–  CPU、OS、OFFICE、数据库等技术是IT核心技术的制高点。

(2)  PC机产业

目前，PC机的架构为Wintel所控制、垄断，即由Intel的CPU+微软的Windows主宰了产业。在该领域，我们没有主动权，没有创新空间，无能为力，充其量只是组装机和搞计算机系统集成等，自己的软件产品和出口软件很少，中国软件企业规模太小。专家估计，10～20年内难以突破！

(3)  嵌入式系统

需求千变万化，没有统一的架构，软硬件需要各种各样的组合，技术密集，市场容量大，我们有无限的创新空间！

2  发展自主OS的有利时机

当前，我们面临发展自主嵌入式操作系统的有利时机，主要是：

–  计算环境从PC为中心转变为以网络为中心，涌现了各种新的信息设备（IA），不必与PC兼容；

–  应用软件逐步从PC移到网上，不必与Windows兼容；

–  浏览器取代Windows成为主要的用户界面；

–  基于Linux的OS很适合各种IA；

–  跨平台语言Java被普遍采用。

综上所述，在PC上要脱离Windows很难，离开了PC，特别是在网上，就可以有所作为。其中，看好Linux！

目前，国内已有多家公司推出基于Linux的自主OS；在服务器领域，特别是在网站上Linux已被广泛应用，如北京市电子政务项目。在桌面计算领域，如果Office和浏览器二大关键应用成熟，也将能迅速推广。在IA领域，各种嵌入式Linux有很好的前景；Linux将成为我国未来的主要OS之一。

例如中软公司推出了“中软实时嵌入式Linux操作系统”，并在国家的新一代开放式数控系统运行平台开发项目中得到应用。该系统保留了常规Linux内核，重新设计了一个新的实时内核。以最小代价提供了强实时性，并可以提供几乎所有常规Linux操作系统的功能，如中文图形环境(X-Windows)、TCP/IP网络和丰富的编程环境资源等。特别是：它对外部事件可以做出微秒级响应，能够提供精确的实时时钟控制，实时硬中断和软中断的灵活设置，实时任务和线程的并发操作和同步机制，而且还能提供足够的实时浮点计算功能，很高的I/O处理能力，对对称多处理器环境的支持。

我们与福州大学郑文波教授合作开发成功具有GPL知识产权的一种嵌入式实时操作系统。它由RT-Linux核心、Linuxs核心、加载模块等组成，采用弹性组合设计，可根据需要灵活多样地配置500Kb～2Mb不同规模的实时应用系统。RT-Linux可广泛应用于工业控制、智能仪器仪表、数据网关、路由器、浏览器、通信设备、信息家电、娱乐设备等。

3  开发嵌入式CPU的有利条件

近年来，我国在开发嵌入式CPU方面有所长进，有一系列有利条件：

(1)  市场：

嵌入式CPU可应用于各种领域，包括各种信息家电、网络设备、工业仪器仪表等，其市场容量将远远超过PC产业。

(2)  技术：

–  可允许多种结构，可有自己的创新结构。

–  有Linux和其它OS作为支持，不必依赖Windows。

–  复杂性较低（百万晶体管的量级），开发周期短。

–  不必追求性能指标，工艺要求低。

例如北京中芯微系统公司开发成功高性能嵌入式处理器方舟一号，2001年4月鉴定、发布，并已产业化。其主要技术特点如下：

–  32位RISC CPU，时钟频率166MHz，

200MIPS，2x8KB cache，片上集成SDRAM控制器、PCI总线控制器、中断处理器、RTC、TIMER、Watchdog等，且低功耗；

–  自行设计的32位RISC结构，全新的指令体系结构；

–  拥有自主知识产权；

–  高集成度的SOC设计；

–  可裁减，良好的性能价格比。

32位嵌入式CPU有广泛的支持并已大量产业化，有很好的应用前景。它的研制成功，配以国产的嵌入式实时操作系统RT-Linux，将有可能作为国产嵌入式系统的一种很好的选择，可在信息终端、家用电器、工业控制、军工装备中应用，可以在IA领域用自己的核心技术有所作为，摆脱依赖Wintel的局面！

4  启示

–  嵌入式系统技术可以不受控制，有创新空间。

–  嵌入式CPU+嵌入式OS+关键应用=嵌入式系统的核心技术。

–  我国已逐步掌握信息设备的核心技术！