嵌入式技术不断创新

中国计算机学会嵌入式系统专业委员会

作者：梁合庆* 吕京建**

引言：

当今嵌入式世界已经进入大融合的时代，其特点是：

·通信、计算、消费产品融合—趋向没有独立的3C，只有融合的3C即信息产品IA。

·数字模拟融合，微机电融合，电路板硅片融合，硬软件设计融合--趋向SOC和SiP。

·嵌入式整机的开发工作从传统的硬件为主变为软件为主。

·激烈的市场竞争和技术进步呼唤产品开发平台，特别是SOC开发平台的出现。

但是在嵌入式世界里，另一个有意思的现象是优秀的系统结构设计有超长的生命周期。如Intel公司1980年发明的8位嵌入式MCU 8051直到25年后的今天仍然是全世界普遍流行的产品（每年有超过几亿片的交货量）。又如infieon公司（原西门子半导体）90年代初发布的c166系列16位RISC嵌入式微控制器，仍是当今汽车发动机的主流控制芯片（每年约有几千万的交货量）。Microchip公司也于2004年宣布已售出了第30亿颗PICmicro单片机。

20世纪90年代后期，以ARM系列32位嵌入式处理器为代表的嵌入式技术在移动消费类产品上得到了广泛的应用。全世界大约有40家半导体公司购买了ARM Core IP核。

3G手机、数字电视、流媒体行业的需求促进了多核嵌入式处理器技术的发展，特别是32位处理器与DSP核的融合，形成的嵌入式多媒体SOC技术，代表着前沿嵌入式技术的发展方向之一。

2004年，基于FPGA的嵌入式系统EDA平台Nexar 2004的推出，标志着用软核IP设计客户专用SOC，已开始进入到广泛普及的阶段。FPGA在全球开始大规模应用。

嵌入式系统（Embedded Systems）是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算系统。它是一个技术密集，资金密集，应用高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成系统。今天的嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面。如：基于嵌入式INTERNET网络的地球电子皮肤、可以嵌入到牙齿上的手机等的新型概念性产品都在研发之中。著名嵌入式系统设计专家沈绪榜院士认为“计算机是认识世界的工具，而嵌入式系统则是改造世界的产物。”

时至今日，嵌入式产业可大体分为嵌入式技术产业和嵌入式系统产业及代工产业（如：IC代工业，PCB电装代工业等）*

嵌入式技术产业是各种嵌入式系统产品的技术基础，包括，嵌入式IC设计产业（含嵌入式微处理器和SOC设计）、嵌入式操作系统(RTOS)及嵌入式软件中间件行业，MEMS技术和智能传感器技术行业、嵌入式IP咨询服务业和开发行业（含EDA及开发工具业）等。

嵌入式系统产业是建立在行业需求基础上的基于系统结构设计、功能设计和工程设计的产业。嵌入式系统产业分散于各个具体应用行业。嵌入式系统产品具有以行业的标准为基础，以行业的适用技术为核心的特征。

嵌入式技术与嵌入式系统是两个层面上的问题，嵌入式系统产业解决做什么的问题，而嵌入式技术产业解决的是怎么做（才更好）的问题。嵌入式产业链，则是解决在哪做，找谁做的问题。嵌入式硬件核心技术往往与半导体技术的发展紧密相连，从“许氏循环”及“牧本浪潮”的总结和预测中可以看出，一种半导体技术的发明与在嵌入式系统中规模化应用大约有10年的滞后。（参见第10章第5节）

2004年我国嵌入式系统应用产品经济总量估计超过10000亿元，其中嵌入式处理器芯片约为120亿元。2004我国嵌入式微处理器销售总量大约为13亿片。（2005年9月In-Stat发布的数据显示2004年度中国嵌入式微处理器市场约40亿片，含小家电中的4位单片机）

据WSTS预测，2005年全球MCU市场将达125亿美元，而DSP市场将达84亿美元。其中发展较快的是嵌入式DSP市场，它已无处不在，市场规模已接近通用DSP的两倍，且增长速度强劲。通用DSP的主要市场在于通信应用，而嵌入式DSP应用则更广泛，包括DVD播放器、机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器、数码相机和汽车电子等。

最后我们再看一下嵌入式软件的发展趋势：

与传统的通用计算机系统不同，嵌入式系统面向特定应用领域，根据应用需求定制开发，并随着智能化（数字化）产品的普遍需求渗透到各行各业，嵌入式软件已成为产品的数字化改造、智能化增值的关键性、带动性技术。

嵌入式软件业发展迅速，已成为软件行业的重要分支，嵌入式软件因为是包含于硬件之中的特殊产品形态，准确的划分和统计是比较困难的，下面仅提供赛迪顾问2004年2月对部分嵌入式系统软件产品市场的分析数据，2003年全球嵌入式软件规模为346亿美元，中国市场规模约为188亿人民币，（2004年为255亿）预计2006年中国嵌入式软件规模可突破400亿。（2003～2006年均复合增长率将达30％）

（2005年9月中国软件行业协会嵌入式系统分会发布的研究报告显示2004年在中国软件销售中嵌入式软件销售收入达到748.8亿，同比增长149%，占软件产业销售收入的31.1%，比上年提高了12.7%）

随着SOC技术的出现，嵌入式产业将会再度发生专业化分工和观念的改变。IP构件库技术正在造就一个新兴的嵌入式软件技术行业。以人为中心的普适计算技术正推动着新一轮的信息技术革命。嵌入式软件作为系统的灵魂在很大程度上决定着产品的成败。市场对嵌入式软件的安全性、可靠性、可维护性和生命周期都提出了更加严格的要求。

近十年来嵌入式操作系统（RTOS）得到了飞速发展，各种流行的微处理器（MCU）8位/16位/32位/DSP均可以很容易得到多种RTOS的源码支持，8位/16位MCU以面向硬实时控制为主（专业化公司有美国CMX，WindRiver、等，自由软件有ucos/2及OSEK标准等）；32位以面向手机和信息处理和多媒体处理为主，在这些方面Linux正逐渐成为嵌入式OS的主流，J2ME技术也将对嵌入式软件的发展产生深远影响。

嵌入式RTOS不仅需要具有微型化高实时性等基本特征，还将向高可靠性、自适应性、支持多CPU核、构件组件化方向发展。

嵌入式系统作为改造世界的产物，在发展中技术将不断发展完善、进化，但不会走向单一和垄断。（像PC工业中，CPU和操作系统那样）

客观世界对嵌入式智能化装置轻、薄、短、小、微、低功耗、高可靠性的无止境要求，使得近千种嵌入式微处理体系结构和近百种实时多任务操作系统并存于世，就像生物世界中，物种多样性并组成生态链长期共存那样，嵌入式技术将与时俱进，不断创新。

编者说明：

数据的不统一反映出嵌入式工业的高度分散性，我们将每三个月作一次更新。仅供读者参考。

2005年3月 第一版

2005年9月 修订

一，传统8 /16位嵌入式与时俱进

传统8 /16位嵌入式微处理器也叫微控制器(MCU)，国内习惯称其为单片机。嵌入式系统实际上是指嵌入式计算机或嵌入式计算机系统。经历近30年的风光，今天8 /16位嵌入式产品的出货量和产值仍高过流行的32位嵌入式处理器。嵌入式系统对轻、薄、短、小、低功耗、高可靠的要求，是选择8位、16位的出发点。在很多应用中，已有一种减少功能，并将复杂度降级为8位、16位、简化封装、降低价格以进入更大市场的趋势。2004年2月27日，8位单片机业界领先供应商Microchip Technology（美国微芯科技公司）将其第30亿颗PICmicro单片机出售给了美国电力转换公司（American Power Conversion，APC）。这颗型号为PIC18F452的8位闪存单片机采用了Microchip的最新架构和高可靠性专利PMOS电可擦除单元（PEEC）闪存技术。Microchip 2004年7月发布了行业内引脚数最少的8位MCU。这种6引脚的单片机称为电子胶，通过现场修改软件可广泛引用在各种电子产品中。

1999年，Microchip在公司成立十周年之际，于第四季度售出了第10亿颗单片机。仅过了30个月，Microchip又于2002年春售出了第20亿颗单片机。此后不到两年，Microchip又创下售出第30亿颗PICmicro单片机的新里程碑。Microchip 2003年7月曾被Dataquest评为8位MCU出货量最大的厂商，由Microchip的发展轨迹可以看出：8位单片机过去几年发展势头依然看好，8位/16位单片机在嵌入式控制世界中如日中天。

历史上各个产品公司为8位/16位MCU开发的大量嵌入式应用软件久经实践考验是支持某些8位/16位MCU，在控制方面继续生存的原因之一。

另一方面，8位、16位处理器的嵌入式技术随着半导体工艺和设计技术的发展也在与时俱进。

下面归纳20年来低端嵌入式技术的更新：

1, CPU核

过去基本上都采用Intel确立的哈佛体系结构（程序、数据存储器分离），及复杂指令集（CISC）。现在少数厂家试改用精简指令集（RISC）但保留了哈佛结构。原因是程序放在非易失性存储器安全性高。生产RISC微处理器的公司有Infineon、ST、Atmel，Microchip，SCENIX等。如当初Infineon C166系列是16位RISC具有4级流水线，2002年推出了XC166系列为5级流水线并加入了DSP和嵌入式flash存储器。另，ST公司的ST10F168和269内含256KB flash和CAN控制器，与C166指令兼容适于极恶劣的工作环境。

2, 提升工作频率

提升途径有减少每机器周期的振荡器周期数及提高振荡器频率。用前一种方法Philips公司获得2倍速，Winband公司获得4倍速。用后一种方法将频率由原来的十几MHz提高至33~40MHz，也有达到100MHz的产品。总的来说，只能提高十倍左右，凡提高到50~100倍的都是RISC结构。

3, 片内RAM和Flash扩展

过去片内RAM只有256字节，现在普遍加以扩大，但多数受到结构上的限制。Flash也从原来的8KB扩展到256KB

4，因为技术和价格上的缘故，程序存储器都改用闪速存储器FLASH，兼有ISP、IAP的优势。

5，使用混合信号集成技术

由于CMOS工艺的进步，模拟电路也能与数字电路统一集成于同一片上。大有利于减少片外附的器件，同时提高性能。

6，普遍增加联网的外设接口

8位单片机上增加I²C、CAN、USB、Ethernet、Bluetooth,等联网接口。

7，.增加用户选择的可编程外设，

8，追求低电压、低功耗、低价位、少引腿芯片

降低工作电压成平方地降低功耗，微控制器出现多电压供电；CPU 1.5V, I/O口 3.3或5V。增加片内电压管理，使部分电路暂停、部分电路休眠、部分电路运行。少引腿封装芯片（LPC）能降低成本。

9，.提供配套汇编器、C编译器、交叉模拟器、采用JTEG廉价仿真块

* 梁合庆 国家电网公司南京电力自动化研究院

** 吕京建 中国单片机公共实验室