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1、 图像的嵌入式处理系统开发技术1. 嵌入式定义嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。嵌 入 式 系 统 是 面 向 用 户 、 面 向 产 品 、 面 向 应 用 的 ， 它 必 须 与 具 体 应 用 相 结 合才 会 具 有 生 命 力 、 才 更 具 有 优 势 。 嵌 入 式 系 统 是 将 先 进 的 计 算 机 技 术 、 半 导体 技 术 和 电 子 技 术 和 各 个 行 业 的 具 体 应 用 相 结 合 后 的 产 物 ， 这 一 点 就 决 定 了它 必 然 是 一 个 技 术

2、密 集 、 资 金 密 集 、 高 度 分 散 、 不 断 创 新 的 知 识 集 成 系 统 。嵌 入 式 系 统 必 须 根 据 应 用 需 求 对 软 硬 件 进 行 裁 剪 ， 满 足 应 用 系 统 的 功 能 、 可靠 性 、 成 本 、 体 积 等 要 求 。 所 以 ， 如 果 能 建 立 相 对 通 用 的 软 硬 件 基 础 ， 然 后在 其 上 开 发 出 适 应 各 种 需 要 的 系 统 ， 是 一 个 比 较 好 的 发 展 模 式 。一 般 而 言 ， 嵌 入 式 系 统 的 构 架 可 以 分 成 四 个 部 分 ： 处 理 器 、 存 储 器 、 输入 输 出

3、 （ I/O） 和 软 件 （ 由 于 多 数 嵌 入 式 设 备 的 应 用 软 件 和 操 作 系 统 都 是 紧 密结 合 的 ， 在 这 里 我 们 对 其 不 加 区 分 ， 这 也 是 嵌 入 式 系 统 和 Windows 系 统 的最 大 区 别 ） 。2. 嵌入式系统组成嵌 入 式 系 统 主 要 由 软 件 和 硬 件 构 成 。2. 1 嵌入式硬件系统硬 件 层 中 包 含 嵌 入 式 微 处 理 器 、 存 储 器 （ SDRAM、 ROM、 Flash 等 ） 、通 用 设 备 接 口 和 I/O 接 口 （ A/D、 D/A、 I/O 等 ） 。 在 一 片 嵌 入

4、 式 处 理 器 基 础上 添 加 电 源 电 路 、 时 钟 电 路 和 存 储 器 电 路 ， 就 构 成 了 一 个 嵌 入 式 核 心 控 制 模块 。 其 中 操 作 系 统 和 应 用 程 序 都 可 以 固 化 在 ROM 中 。2.1.1 嵌 入 式 微 处 理 器各 式 各 样 的 嵌 入 式 处 理 器 是 嵌 入 式 系 统 硬 件 中 的 最 核 心 的 部 分 ， 而 目 前世 界 上 具 有 嵌 入 式 功 能 特 点 的 处 理 器 已 经 超 过 1000 种 ， 流 行 体 系 结 构 包 括MCU， MPU 等 30 多 个 系 列 。 鉴 于 嵌 入 式

5、系 统 广 阔 的 发 展 前 景 ， 很 多 半 导 体 制 造商 都 大 规 模 生 产 嵌 入 式 处 理 器 ， 并 且 公 司 自 主 设 计 处 理 器 也 已 经 成 为 了 未 来嵌 入 式 领 域 的 一 大 趋 势 ， 其 中 从 单 片 机 、 DSP 到 FPGA 有 着 各 式 各 样 的 品 种 ，速 度 越 来 越 快 ， 性 能 越 来 越 强 ， 价 格 也 越 来 越 低 。 目 前 嵌 入 式 处 理 器 的 寻 址空 间 可 以 从 64kB 到 16MB， 处 理 速 度 最 快 可 以 达 到 2000 MIPS， 装 从 8 个 引脚 到 144

6、个 引 脚 不 等 。嵌 入 式 微 处 理 器 的 体 系 结 构 可 以 采 用 冯 诺 依 曼 体 系 或 哈 佛 体 系 结 构 ；指 令 系 统 可 以 选 用 精 简 指 令 系 统 （ Reduced Instruction Set Computer， RISC） 和 复 杂 指 令 系 统 CISC（ Complex Instruction Set Computer， CISC） 。 RISC 计 算 机 在 通 道 中 只 包 含 最 有 用 的 指 令 ， 确 保 数 据通 道 快 速 执 行 每 一 条 指 令 ， 从 而 提 高 了 执 行 效 率 并 使 CPU 硬

7、件 结 构 设 计 变得 更 为 简 单 。 嵌 入 式 微 处 理 器 有 各 种 不 同 的 体 系 ， 即 使 在 同 一 体 系 中 也 可 能 具 有 不 同的 时 钟 频 率 和 数 据 总 线 宽 度 ， 或 集 成 了 不 同 的 外 设 和 接 口 。 据 不 完 全 统 计 ，目 前 全 世 界 嵌 入 式 微 处 理 器 已 经 超 过 1000 多 种 ， 体 系 结 构 有 30 多 个 系 列 ，其 中 主 流 的 体 系 有 ARM、 MIPS、 PowerPC、 X86 和 SH 等 。 但 与 全 球 PC 市 场不 同 的 是 ， 没 有 一 种 嵌 入 式

8、 微 处 理 器 可 以 主 导 市 场 ， 仅 以 32 位 的 产 品 而 言 ，就 有 100 种 以 上 的 嵌 入 式 微 处 理 器 。 嵌 入 式 微 处 理 器 的 选 择 是 根 据 具 体 的 应用 而 决 定 的 。根 据 其 现 状 ， 嵌 入 式 处 理 器 可 以 分 成 下 面 几 类 ： 嵌 入 式 微 处 理 器 （ Micro Processor Unit， MPU） 嵌 入 式 微 处 理 器 是 由 通 用 计 算 机 中 的 CPU 演 变 而 来 的 。 它 的 特 征 是 具有 32 位 以 上 的 处 理 器 ， 具 有 较 高 的 性 能 ，

9、当 然 其 价 格 也 相 应 较 高 。 但 与计 算 机 处 理 器 不 同 的 是 ， 在 实 际 嵌 入 式 应 用 中 ， 只 保 留 和 嵌 入 式 应 用 紧 密 相关 的 功 能 硬 件 ， 去 除 其 他 的 冗 余 功 能 部 分 ， 这 样 就 以 最 低 的 功 耗 和 资 源 实 现嵌 入 式 应 用 的 特 殊 要 求 。 和 工 业 控 制 计 算 机 相 比 ， 嵌 入 式 微 处 理 器 具 有 体 积小 、 重 量 轻 、 成 本 低 、 可 靠 性 高 的 优 点 。 目 前 主 要 的 嵌 入 式 处 理 器 类 型 有Am186/88、 386EX、

10、SC-400、 Power PC、 68000、 MIPS、 ARM/ StrongARM 系列 等 。 其 中 Arm StrongArm 是 专 为 手 持 设 备 开 发 的 嵌 入 式 微 处 理 器 ， 属 于中 档 的 价 位 。嵌 入 式 微 控 制 器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌 入 式 微 控 制 器 的 典 型 代 表 是 单 片 机 ， 从 70 年 代 末 单 片 机 出 现 到 今 天 ，虽 然 已 经 经 过 了 20 多 年 的 历 史 ， 但 这 种 位 的 电 子 器 件 目 前 在 嵌 入 式 设 备中 仍 然 有 着 极 其

11、 广 泛 的 应 用 。 单 片 机 芯 片 内 部 集 成 ROM/EPROM、 RAM、 总 线 、总 线 逻 辑 、 定 时 /计 数 器 、 看 门 狗 、 I/O、 串 行 口 、 脉 宽 调 制 输 出 、A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM 等 各 种 必 要 功 能 和 外 设 。 和 嵌 入 式 微 处 理 器相 比 ， 微 控 制 器 的 最 大 特 点 是 单 片 化 ， 体 积 大 大 减 小 ， 从 而 使 功 耗 和 成 本 下降 、 可 靠 性 提 高 。 微 控 制 器 是 目 前 嵌 入 式 系 统 工 业 的 主 流 。 微 控 制 器 的

12、 片上 外 设 资 源 一 般 比 较 丰 富 ， 适 合 于 控 制 ， 因 此 称 微 控 制 器 。 由 于 MCU 低 廉 的 价 格 ， 优 良 的 功 能 ， 所 以 拥 有 的 品 种 和 数 量 最 多 ， 比 较有 代 表 性 的 包 括 8051、 MCS-251、 MCS-96/196/296、 P51XA、 C166/167、 68K 系 列 以 及 MCU 8XC930/931、 C540、 C541， 并 且 有 支 持 I2C、 CAN-Bus、 LCD 及 众 多 专 用MCU 和 兼 容 系 列 。 目 前 MCU 占 嵌 入 式 系 统 约 70 的 市 场

13、 份 额 。 近 来 Atmel出 产 的 Avr 单 片 机 由 于 其 集 成 了 FPGA 等 器 件 ， 所 以 具 有 很 高 的 性 价 比 ， 势必 将 推 动 单 片 机 获 得 更 高 的 发 展 。嵌 入 式 DSP 处 理 器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) DSP 处 理 器 是 专 门 用 于 信 号 处 理 方 面 的 处 理 器 ， 其 在 系 统 结 构 和 指 令 算法 方 面 进 行 了 特 殊 设 计 ， 具 有 很 高 的 编 译 效 率 和 指 令 的 执 行 速 度 。 在 数 字 滤波 、 FFT

14、、 谱 分 析 等 各 种 仪 器 上 DSP 获 得 了 大 规 模 的 应 用 。 DSP 的 理 论 算 法 在 70 年 代 就 已 经 出 现 ， 但 是 由 于 专 门 的 DSP 处 理 器 还未 出 现 ， 所 以 这 种 理 论 算 法 只 能 通 过 MPU 等 由 分 立 元 件 实 现 。 MPU 较 低 的处 理 速 度 无 法 满 足 DSP 的 算 法 要 求 ， 其 应 用 领 域 仅 仅 局 限 于 一 些 尖 端 的 高 科技 领 域 。 随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 发 展 ， 1982 年 世 界 上 诞 生 了 首 枚 DSP 芯片 。

15、其 运 算 速 度 比 MPU 快 了 几 十 倍 ， 在 语 音 合 成 和 编 码 解 码 器 中 得 到 了 广泛 应 用 。 至 80 年 代 中 期 ， 随 着 CMOS 技 术 的 进 步 与 发 展 ， 第 二 代 基 于 CMOS工 艺 的 DSP 芯 片 应 运 而 生 ， 其 存 储 容 量 和 运 算 速 度 都 得 到 成 倍 提 高 ， 成 为 语音 处 理 、 图 像 硬 件 处 理 技 术 的 基 础 。 到 80 年 代 后 期 ， DSP 的 运 算 速 度 进 一步 提 高 ， 应 用 领 域 也 从 上 述 范 围 扩 大 到 了 通 信 和 计 算 机

16、方 面 。 90 年 代 后 ，DSP 发 展 到 了 第 五 代 产 品 ， 集 成 度 更 高 ， 使 用 范 围 也 更 加 广 阔 。 目 前 最 为 广 泛 应 用 的 是 TI 的 TMS320C2000/C5000 系 列 ， 另 外 如 Intel的 MCS-296 和 Siemens 的 TriCore 也 有 各 自 的 应 用 范 围 。嵌 入 式 片 上 系 统 (System On Chip) SoC 追 求 产 品 系 统 最 大 包 容 的 集 成 器 件 ， 是 目 前 嵌 入 式 应 用 领 域 的 热 门话 题 之 一 。 SOC 最 大 的 特 点 是 成

17、 功 实 现 了 软 硬 件 无 缝 结 合 ， 直 接 在 处 理 器 片内 嵌 入 操 作 系 统 的 代 码 模 块 。 而 且 SOC 具 有 极 高 的 综 合 性 ， 在 一 个 硅 片 内部 运 用 VHDL 等 硬 件 描 述 语 言 ， 实 现 一 个 复 杂 的 系 统 。 用 户 不 需 要 再 像 传 统的 系 统 设 计 一 样 ， 绘 制 庞 大 复 杂 的 电 路 板 ， 一 点 点 的 连 接 焊 制 ， 只 需 要 使 用精 确 的 语 言 ， 综 合 时 序 设 计 直 接 在 器 件 库 中 调 用 各 种 通 用 处 理 器 的 标 准 ， 然后 通 过

18、 仿 真 之 后 就 可 以 直 接 交 付 芯 片 厂 商 进 行 生 产 。 由 于 绝 大 部 分 系 统 构 件都 是 在 系 统 内 部 ， 整 个 系 统 就 特 别 简 洁 ， 不 仅 减 小 了 系 统 的 体 积 和 功 耗 ， 而且 提 高 了 系 统 的 可 靠 性 ， 提 高 了 设 计 生 产 效 率 。 由 于 SOC 往 往 是 专 用 的 ， 所 以 大 部 分 都 不 为 用 户 所 知 ， 比 较 典 型 的SOC 产 品 是 Philips 的 Smart XA。 少 数 通 用 系 列 如 Siemens 的TriCore， Motorola 的 M-C

19、ore， 某 些 ARM 系 列 器 件 ， Echelon 和 Motorola联 合 研 制 的 Neuron 芯 片 等 。 预 计 不 久 的 将 来 ， 一 些 大 的 芯 片 公 司 将 通 过 推 出 成 熟 的 、 能 占 领 多 数 市场 的 SOC 芯 片 ， 一 举 击 退 竞 争 者 。 SOC 芯 片 也 将 在 声 音 、 图 像 、 影 视 、 网 络及 系 统 逻 辑 等 应 用 领 域 中 发 挥 重 要 作 用 。2.1.2 嵌 入 式 存 储 系 统嵌 入 式 系 统 需 要 存 储 器 来 存 放 和 执 行 代 码 。 嵌 入 式 系 统 的 存 储

20、器 包 含Cache、 主 存 和 辅 助 存 储 器 。 1） Cache Cache 是 一 种 容 量 小 、 速 度 快 的 存 储 器 阵 列 它 位 于 主 存 和 嵌 入 式 微 处 理器 内 核 之 间 ， 存 放 的 是 最 近 一 段 时 间 微 处 理 器 使 用 最 多 的 程 序 代 码 和 数 据 。在 需 要 进 行 数 据 读 取 操 作 时 ， 微 处 理 器 尽 可 能 的 从 Cache 中 读 取 数 据 ， 而不 是 从 主 存 中 读 取 ， 这 样 就 大 大 改 善 了 系 统 的 性 能 ， 提 高 了 微 处 理 器 和 主 存之 间 的 数

21、 据 传 输 速 率 。 Cache 的 主 要 目 标 就 是 ： 减 小 存 储 器 （ 如 主 存 和 辅 助存 储 器 ） 给 微 处 理 器 内 核 造 成 的 存 储 器 访 问 瓶 颈 ， 使 处 理 速 度 更 快 ， 实 时 性更 强 。 在 嵌 入 式 系 统 中 Cache 全 部 集 成 在 嵌 入 式 微 处 理 器 内 ， 可 分 为 数 据Cache、 指 令 Cache 或 混 合 Cache， Cache 的 大 小 依 不 同 处 理 器 而 定 。 一 般中 高 档 的 嵌 入 式 微 处 理 器 才 会 把 Cache 集 成 进 去 。 2） 主 存

22、主 存 是 嵌 入 式 微 处 理 器 能 直 接 访 问 的 寄 存 器 ， 用 来 存 放 系 统 和 用 户 的 程序 及 数 据 。 它 可 以 位 于 微 处 理 器 的 内 部 或 外 部 ， 其 容 量 为 256KB1GB， 根据 具 体 的 应 用 而 定 ， 一 般 片 内 存 储 器 容 量 小 ， 速 度 快 ， 片 外 存 储 器 容 量 大 。 常 用 作 主 存 的 存 储 器 有 ： ROM 类 NOR Flash、 EPROM 和 PROM 等 。 RAM 类 SRAM、 DRAM 和 SDRAM 等 。 其 中 NOR Flash 凭 借 其 可 擦 写 次

23、 数 多 、 存 储 速 度 快 、 存 储 容 量 大 、 价格 便 宜 等 优 点 ， 在 嵌 入 式 领 域 内 得 到 了 广 泛 应 用 。 3） 辅 助 存 储 器 辅 助 存 储 器 用 来 存 放 大 数 据 量 的 程 序 代 码 或 信 息 ， 它 的 容 量 大 、 但 读 取速 度 与 主 存 相 比 就 慢 的 很 多 ， 用 来 长 期 保 存 用 户 的 信 息 。 嵌 入 式 系 统 中 常 用 的 外 存 有 ： 硬 盘 、 NAND Flash、 CF 卡 、 MMC 和 SD卡 等 。2.1.3 通 用 设 备 接 口 和 I/O 接 口嵌 入 式 系 统

24、 和 外 界 交 互 需 要 一 定 形 式 的 通 用 设 备 接 口 ， 如 A/D、 D/ A、 I/O 等 ， 外 设 通 过 和 片 外 其 他 设 备 的 或 传 感 器 的 连 接 来 实 现 微 处 理 器 的 输入 /输 出 功 能 。 每 个 外 设 通 常 都 只 有 单 一 的 功 能 ， 它 可 以 在 芯 片 外 也 可 以 内置 芯 片 中 。 外 设 的 种 类 很 多 ， 可 从 一 个 简 单 的 串 行 通 信 设 备 到 非 常 复 杂 的802.11 无 线 设 备 。 目 前 嵌 入 式 系 统 中 常 用 的 通 用 设 备 接 口 有 A/D（

25、模 /数 转 换 接 口 ） 、D/A（ 数 /模 转 换 接 口 ） ， I/O 接 口 有 RS-232 接 口 （ 串 行 通 信 接 口 ） 、Ethernet（ 以 太 网 接 口 ） 、 USB（ 通 用 串 行 总 线 接 口 ） 、 音 频 接 口 、 VGA 视频 输 出 接 口 、 I2C（ 现 场 总 线 ） 、 SPI（ 串 行 外 围 设 备 接 口 ） 和 IrDA（ 红 外线 接 口 ） 等 。2.2 嵌入式软件系统系 统 软 件 层 由 实 时 多 任 务 操 作 系 统 （ Real-time Operation System， RTOS） 、 文 件 系 统

26、 、 图 形 用 户 接 口 （ Graphic User Interface， GUI） 、 网 络 系 统 及 通 用 组 件 模 块 组 成 。 RTOS 是 嵌 入 式 应 用 软件 的 基 础 和 开 发 平 台 。 嵌 入 式 操 作 系 统 嵌 入 式 操 作 系 统 （ Embedded Operation System， EOS） 是 一 种 用 途 广泛 的 系 统 软 件 ， 过 去 它 主 要 应 用 与 工 业 控 制 和 国 防 系 统 领 域 。 EOS 负 责 嵌入 系 统 的 全 部 软 、 硬 件 资 源 的 分 配 、 任 务 调 度 ， 控 制 、 协

27、调 并 发 活 动 。 它 必须 体 现 其 所 在 系 统 的 特 征 ， 能 够 通 过 装 卸 某 些 模 块 来 达 到 系 统 所 要 求 的 功 能 。目 前 ， 已 推 出 一 些 应 用 比 较 成 功 的 EOS 产 品 系 列 。 随 着 Internet 技 术 的 发展 、 信 息 家 电 的 普 及 应 用 及 EOS 的 微 型 化 和 专 业 化 ， EOS 开 始 从 单 一 的 弱功 能 向 高 专 业 化 的 强 功 能 方 向 发 展 。 嵌 入 式 操 作 系 统 在 系 统 实 时 高 效 性 、 硬件 的 相 关 依 赖 性 、 软 件 固 化 以

28、及 应 用 的 专 用 性 等 方 面 具 有 较 为 突 出 的 特 点 。常 见 的 嵌 入 式 操 作 系 统 有 ：uC/OS II RT-thread uCLinux FreeRTOS RTX Arm-Linux VxWorks RTEMS pSOS Nucleus PalmOS Windows CE Windows XP Embedded Windows Vista Embedded 嵌 入 式 Linux ECOS QNX Lynx Symbian Android Meamo Meego2.3 中间层硬 件 层 与 软 件 层 之 间 为 中 间 层 ， 也 称 为 硬 件 抽

29、象 层 （ Hardware Abstract Layer， HAL） 或 板 级 支 持 包 （ Board Support Package， BSP） ，它 将 系 统 上 层 软 件 与 底 层 硬 件 分 离 开 来 ， 使 系 统 的 底 层 驱 动 程 序 与 硬 件 无 关 ，上 层 软 件 开 发 人 员 无 需 关 心 底 层 硬 件 的 具 体 情 况 ， 根 据 BSP 层 提 供 的 接 口即 可 进 行 开 发 。 该 层 一 般 包 含 相 关 底 层 硬 件 的 初 始 化 、 数 据 的 输 入 /输 出 操作 和 硬 件 设 备 的 配 置 功 能 。 BSP

30、 具 有 以 下 两 个 特 点 。 硬 件 相 关 性 ： 因 为 嵌 入 式 实 时 系 统 的 硬 件 环 境 具 有 应 用 相 关 性 ， 而 作为 上 层 软 件 与 硬 件 平 台 之 间 的 接 口 ， BSP 需 要 为 操 作 系 统 提 供 操 作 和 控 制 具体 硬 件 的 方 法 。 操 作 系 统 相 关 性 ： 不 同 的 操 作 系 统 具 有 各 自 的 软 件 层 次 结 构 ， 因 此 ， 不同 的 操 作 系 统 具 有 特 定 的 硬 件 接 口 形 式 。 实 际 上 ， BSP 是 一 个 介 于 操 作 系 统 和 底 层 硬 件 之 间 的

31、软 件 层 次 ， 包 括 了系 统 中 大 部 分 与 硬 件 联 系 紧 密 的 软 件 模 块 。 设 计 一 个 完 整 的 BSP 需 要 完 成两 部 分 工 作 ： 嵌 入 式 系 统 的 硬 件 初 始 化 以 及 BSP 功 能 ， 设 计 硬 件 相 关 的 设备 驱 动 。嵌 入 式 系 统 硬 件 初 始 化 系 统 初 始 化 过 程 可 以 分 为 3 个 主 要 环 节 ， 按 照 自 底 向 上 、 从 硬 件 到 软 件的 次 序 依 次 为 ： 片 级 初 始 化 、 板 级 初 始 化 和 系 统 级 初 始 化 。 片 级 初 始 化 完 成 嵌 入 式

32、 微 处 理 器 的 初 始 化 ， 包 括 设 置 嵌 入 式 微 处 理 器 的 核 心 寄 存 器和 控 制 寄 存 器 、 嵌 入 式 微 处 理 器 核 心 工 作 模 式 和 嵌 入 式 微 处 理 器 的 局 部 总 线模 式 等 。 片 级 初 始 化 把 嵌 入 式 微 处 理 器 从 上 电 时 的 默 认 状 态 逐 步 设 置 成 系 统所 要 求 的 工 作 状 态 。 这 是 一 个 纯 硬 件 的 初 始 化 过 程 。 板 级 初 始 化 完 成 嵌 入 式 微 处 理 器 以 外 的 其 他 硬 件 设 备 的 初 始 化 。 另 外 ， 还 需 设 置 某些

33、 软 件 的 数 据 结 构 和 参 数 ， 为 随 后 的 系 统 级 初 始 化 和 应 用 程 序 的 运 行 建 立 硬件 和 软 件 环 境 。 这 是 一 个 同 时 包 含 软 硬 件 两 部 分 在 内 的 初 始 化 过 程 。 系 统 初 始 化 该 初 始 化 过 程 以 软 件 初 始 化 为 主 ， 主 要 进 行 操 作 系 统 的 初 始 化 。BSP 将 对 嵌 入 式 微 处 理 器 的 控 制 权 转 交 给 嵌 入 式 操 作 系 统 ， 由 操 作 系 统 完 成余 下 的 初 始 化 操 作 ， 包 含 加 载 和 初 始 化 与 硬 件 无 关 的

34、设 备 驱 动 程 序 ， 建 立系 统 内 存 区 ， 加 载 并 初 始 化 其 他 系 统 软 件 模 块 ， 如 网 络 系 统 、 文 件 系 统 等 。最 后 ， 操 作 系 统 创 建 应 用 程 序 环 境 ， 并 将 控 制 权 交 给 应 用 程 序 的 入 口 。3. 现状和发展趋势3.1 发展现状随 着 信 息 化 ， 智 能 化 ， 网 络 化 的 发 展 ， 嵌 入 式 系 统 技 术 也 将 获 得 广 阔 的 发 展 空 间 。美 国 著 名 未 来 学 家 尼 葛 洛 庞 帝 99 年 1 月 访 华 时 预 言 ， 4 5 年 后 嵌 入 式 智 能 （ 电

35、 脑 ) 工 具 将 是 PC 和 因 特 网 之 后 最 伟 大 的 发 明 。 我 国 著 名 嵌 入 式 系 统 专 家 沈 绪 榜 院 士 98年 11 月 在 武 汉 全 国 第 11 次 微 机 学 术 交 流 会 上 发 表 的 计 算 机 的 发 展 与 技 术 一 文中 ， 对 未 来 10 年 以 嵌 入 式 芯 片 为 基 础 的 计 算 机 工 业 进 行 了 科 学 的 阐 述 和 展 望 。 1999年 世 界 电 子 产 品 产 值 已 超 过 12000 亿 美 元 ， 2000 年 达 到 13000 亿 美 元 ， 预 计 2005 年 ，销 售 额 将 达

36、 18000 亿 美 元 。 进 入 20 世 纪 90 年 代 ， 嵌 入 式 技 术 全 面 展 开 ， 目 前 已 成 为 通 信 和 消 费 类 产 品 的 共同 发 展 方 向 。 在 通 信 领 域 ， 数 字 技 术 正 在 全 面 取 代 模 拟 技 术 。 在 广 播 电 视 领 域 ， 美 国 已开 始 由 模 拟 电 视 向 数 字 电 视 转 变 ， 欧 洲 的 DVB（ 数 字 电 视 广 播 ） 技 术 已 在 全 球 大 多 数国 家 推 广 。 数 字 音 频 广 播 （ DAB） 也 已 进 入 商 品 化 试 播 阶 段 。 而 软 件 、 集 成 电 路

37、和 新型 元 器 件 在 产 业 发 展 中 的 作 用 日 益 重 要 。 所 有 上 述 产 品 中 ， 都 离 不 开 嵌 入 式 系 统 技 术 。象 前 途 无 可 计 量 的 维 纳 斯 计 划 生 产 机 顶 盒 ， 核 心 技 术 就 是 采 用 32 位 以 上 芯 片 级 的 嵌入 式 技 术 。 在 个 人 领 域 中 ， 嵌 入 式 产 品 将 主 要 是 个 人 商 用 ， 作 为 个 人 移 动 的 数 据 处 理 和通 讯 软 件 。 由 于 嵌 入 式 设 备 具 有 自 然 的 人 机 交 互 界 面 ， GUI 屏 幕 为 中 心 的 多 媒 体 界 面给

38、人 很 大 的 亲 和 力 。 手 写 文 字 输 入 、 语 音 拨 号 上 网 、 收 发 电 子 邮 件 以 及 彩 色 图 形 、 图 像已 取 得 初 步 成 效 。 目 前 一 些 先 进 的 PDA 在 显 示 屏 幕 上 已 实 现 汉 字 写 入 、 短 消 息 语 音 发 布 ， 日 用 范 围也 将 日 益 广 阔 。 对 于 企 业 专 用 解 决 方 案 ， 如 物 流 管 理 、 条 码 扫 描 、 移 动 信 息 采 集 等 ， 这种 小 型 手 持 嵌 入 式 系 统 将 发 挥 巨 大 的 作 用 。 自 动 控 制 领 域 ， 不 仅 可 以 用 于 ATM

39、 机 ，自 动 售 货 机 ， 工 业 控 制 等 专 用 设 备 ， 和 移 动 通 讯 设 备 结 合 、 GPS、 娱 乐 相 结 合 ， 嵌 入式 系 统 同 样 可 以 发 挥 巨 大 的 作 用 。 近 期 长 虹 推 出 的 ADSL 产 品 ， 结 合 网 络 ， 控 制 ， 信息 ， 这 种 智 能 化 ， 网 络 化 将 是 家 电 发 展 的 新 趋 势 。 硬 件 方 面 ， 不 仅 有 各 大 公 司 的 微 处 理 器 芯 片 ， 还 有 用 于 学 习 和 研 发 的 各 种 配 套 开 发包 。 目 前 低 层 系 统 和 硬 件 平 台 经 过 若 干 年 的

40、 研 究 ， 已 经 相 对 比 较 成 熟 ， 实 现 各 种 功 能 的芯 片 应 有 尽 有 。 而 且 巨 大 的 市 场 需 求 给 我 们 提 供 了 学 习 研 发 的 资 金 和 技 术 力 量 。 从 软 件 方 面 讲 ， 也 有 相 当 部 分 的 成 熟 软 件 系 统 。 国 外 商 品 化 的 嵌 入 式 实 时 操 作 系统 ， 已 进 入 我 国 市 场 的 有 WindRiver、 Microsoft、 QNX 和 Nuclear 等 产 品 。 我 国 自 主开 发 的 嵌 入 式 系 统 软 件 产 品 如 科 银 (CoreTek)公 司 的 嵌 入 式

41、 软 件 开 发 平 台DeltaSystem， 中 科 院 推 出 的 Hopen 嵌 入 式 操 作 系 统 （ 虽 然 还 不 够 完 善 ） 。 同 时 由 于 是研 究 热 点 ， 所 以 我 们 可 以 在 网 上 找 到 各 种 各 样 的 免 费 资 源 ， 从 各 大 厂 商 的 开 发 文 档 ， 到各 种 驱 动 ， 程 序 源 代 码 ， 甚 至 很 多 厂 商 还 提 供 微 处 理 器 的 样 片 。 这 对 于 我 们 从 事 这 方 面的 研 发 ， 无 疑 是 个 资 源 宝 库 。 对 于 软 件 设 计 来 说 ， 不 管 是 上 手 还 是 进 一 步

42、开 发 ， 都 相 对来 说 比 较 容 易 。 这 就 使 得 很 多 生 手 能 够 比 较 快 的 进 入 研 究 状 态 ， 利 于 发 挥 大 家 的 积 极 创造 性 。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元，1997 年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出，未来 5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年 1500 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称， “福特出售的 计算能力 已超过了 IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998 年 11 月在美国加

43、 州 举行的嵌入式系统大会上，基于 RTOS 的Embedded Internet 成为一个技术新热点。在国内， “维纳斯计划”和“女锅计划” 一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了 IT 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。 3.2 发展趋势信 息 时 代 ， 数 字 时 代 使 得 嵌 入 式 产 品 获

44、 得 了 巨 大 的 发 展 契 机 ， 为 嵌 入 式 市 场 展 现 了美 好 的 前 景 ， 同 时 也 对 嵌 入 式 生 产 厂 商 提 出 了 新 的 挑 战 ， 从 中 我 们 可 以 看 出 未 来 嵌 入 式系 统 的 几 大 发 展 趋 势 ： 1） 嵌 入 式 开 发 是 一 项 系 统 工 程 ， 因 此 要 求 嵌 入 式 系 统 厂 商 不 仅 要 提 供 嵌 入 式 软 硬件 系 统 本 身 ， 同 时 还 需 要 提 供 强 大 的 硬 件 开 发 工 具 和 软 件 包 支 持 。 目 前 很 多 厂 商 已 经 充 分 考 虑 到 这 一 点 ， 在 主 推

45、 系 统 的 同 时 ， 将 开 发 环 境 也 作 为 重 点推 广 。 比 如 三 星 在 推 广 Arm7， Arm9 芯 片 的 同 时 还 提 供 开 发 板 和 版 及 支 持 包 （ BSP） ，而 WindowCE 在 主 推 系 统 时 也 提 供 Embedded VC 作 为 开 发 工 具 ， 还 有 Vxworks的 Tonado 开 发 环 境 ， DeltaOS 的 Limda 编 译 环 境 等 等 都 是 这 一 趋 势 的 典 型 体 现 。 当 然 ，这 也 是 市 场 竞 争 的 结 果 。 2） 网 络 化 、 信 息 化 的 要 求 随 着 因 特

46、网 技 术 的 成 熟 、 带 宽 的 提 高 日 益 提 高 ， 使 得 以往 单 一 功 能 的 设 备 如 电 话 、 手 机 、 冰 箱 、 微 波 炉 等 功 能 不 再 单 一 ， 结 构 更 加 复 杂 。 这 就 要 求 芯 片 设 计 厂 商 在 芯 片 上 集 成 更 多 的 功 能 ， 为 了 满 足 应 用 功 能 的 升 级 ，设 计 师 们 一 方 面 采 用 更 强 大 的 嵌 入 式 处 理 器 如 32 位 、 64 位 RISC 芯 片 或 信 号 处 理 器DSP 增 强 处 理 能 力 ， 同 时 增 加 功 能 接 口 ， 如 USB， 扩 展 总 线

47、 类 型 ， 如 CAN BUS， 加强 对 多 媒 体 、 图 形 等 的 处 理 ， 逐 步 实 施 片 上 系 统 （ SOC） 的 概 念 。 软 件 方 面 采 用 实 时多 任 务 编 程 技 术 和 交 叉 开 发 工 具 技 术 来 控 制 功 能 复 杂 性 ， 简 化 应 用 程 序 设 计 、 保 障 软 件质 量 和 缩 短 开 发 周 期 。 如 HP 3） 网 络 互 联 成 为 必 然 趋 势 。 未 来 的 嵌 入 式 设 备 为 了 适 应 网 络 发 展 的 要 求 ， 必 然 要 求 硬 件 上 提 供 各 种 网 络 通 信接 口 。 传 统 的 单 片

48、 机 对 于 网 络 支 持 不 足 ， 而 新 一 代 的 嵌 入 式 处 理 器 已 经 开 始 内 嵌 网 络 接口 ， 除 了 支 持 TCP IP 协 议 ， 还 有 的 支 持 IEEE1394、 USB、 CAN、 Bluetooth 或IrDA 通 信 接 口 中 的 一 种 或 者 几 种 ， 同 时 也 需 要 提 供 相 应 的 通 信 组 网 协 议 软 件 和 物 理 层驱 动 软 件 。 软 件 方 面 系 统 系 统 内 核 支 持 网 络 模 块 ， 甚 至 可 以 在 设 备 上 嵌 入 Web 浏 览器 ， 真 正 实 现 随 时 随 地 用 各 种 设 备

49、 上 网 。 4） 精 简 系 统 内 核 、 算 法 ， 降 低 功 耗 和 软 硬 件 成 本 。 未 来 的 嵌 入 式 产 品 是 软 硬 件 紧 密 结 合 的 设 备 ， 为 了 减 低 功 耗 和 成 本 ， 需 要 设 计 者 尽量 精 简 系 统 内 核 ， 只 保 留 和 系 统 功 能 紧 密 相 关 的 软 硬 件 ， 利 用 最 低 的 资 源 实 现 最 适 当 的功 能 ， 这 就 要 求 设 计 者 选 用 最 佳 的 编 程 模 型 和 不 断 改 进 算 法 ， 优 化 编 译 器 性 能 。 因此 ， 既 要 软 件 人 员 有 丰 富 的 硬 件 知 识 ， 又 需 要 发 展 先 进 嵌 入 式 软 件 技 术 ， 如Java、 Web 和 WAP 等 。 5） 提 供 友 好 的 多 媒 体 人 机 界 面 嵌 入 式 设 备 能 与 用 户 亲 密 接 触 ， 最 重 要 的 因 素 就 是 它 能 提 供 非 常 友 好 的 用 户 界 面 。图 像 界 面 ， 灵 活 的 控 制 方 式 ， 使 得 人 们 感 觉 嵌 入 式 设 备 就 象 是 一 个 熟 悉 的 老 朋 友 。 这 方面 的 要 求 使 得 嵌 入 式 软 件 设 计 者 要 在 图 形 界 面 ， 多 媒 体 技