嵌入式系统的我国发展机遇

嵌入式系统的我国发展机遇 作者：陈章龙 单位：复旦大学计算机科学与工程系 一、嵌入式系统概述 嵌入式系统（Embedded System）是将计算机直接嵌入至应用系统中，是信息技术 IT （Information Technology）的最终产品。 嵌入式系统随着应用方式不同，可有 IP（Intellectual Property）级、芯片级和模块级 等 3 中不同体系结构形式。 嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式可把所需的功能（IP 单元、芯片（MCU、RAM、ROM、I/O 等）或模块等）嵌入至各种应用系统。 把不同的 IP 单元，根据应用的要求集成在一块芯片中，也就是系统级芯片 SOC（System On Chip）的形式。各种嵌入式软件也可以以 IP 的方式集成在芯片中。 根据各种 IT 的产品（应用系统）的要求，可以选用相应的处理器（MCU、DSP、RISC 型 MPU） 芯片、RAM、ROM（EPROM/EEPROM/Flash）及 I/O 接口芯片等组成了相应的嵌入式系统；相应的 系统软件/应用软件也以固件形成固化在 ROM 中。这是目前嵌入式系统最常见的形式。 第三种形式是以 X86 处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，这样可充分利用了 目前常用的 PC 机的通用性和便利性。不过，此方式不但要缩小体积、增加可靠性，而且要把操 作系统 OS 改造为嵌入式操作系统 OS，把应用软件固化在固态盘中。此种嵌入式系统较多出现在 工业控制和仪器仪中。 二、嵌入式系统开发 嵌入式系统开发工具及平台是嵌入式系统应用的很重要因素。以微控制器 MCU 为例，我国 年应用已达 4 亿片，二者与年产量达万台的具有中国特色的开发工具及平台是分不开的。 嵌入式系统中的软件和硬件 80%以上是重复设计的，故软件和硬件的复用十分必要。在 IP 级的 SOC 设计中，建立了各种 IP 库，采用 IP 复用技术，设计片上的嵌入式系统；在模块级 SOM 设计中，配置了各种应用模块及相应的组态软件，供用户选用和组合，组成各种应用的嵌入式 系统。以 32 位 RISC MCU 为核的新型嵌入式系统可根据不同的应用对象，用构件的方式构置相 应的中间件，便于用户的开发应用。 基于构件的软件体系统有层次体系结构（Layered Architecture）和 C2 体系结构。嵌入 式系统较多采用的是层次体系结构（如图 1 所示）。 图 1 构件的层次体系结构 例如，Intel 的个人互联网用户架构 PCA（Personal Internet Client Architecture）、IBM 公司的 WebSphereEveryplace Embedded 和 TI 公司的开放的多媒体应用平台 OMAP（Open Multimedia Application Platform）等都是新近推出的嵌入式系统开发应用平台。 Intel 公司于 2000 年 9 月推出了基于 Strong ARM(或 XScale) 嵌入式处理器的面向互联网的嵌入式系统架构——Intel 个人互联网用户架构 PCA。PCA 是一 个开放式平台架构，它由应用子系统、通信子系统和存储器子系统组成，每个子系统都可以 以模块方式集成、扩充和接口。图 2 是 PCA 应用子系统的开放式架构。 图 2IntelPCA 应用子系统的开放式架构 PCA 应用子系统硬件平台包括了 Strong ARM/Xscale 的处理器、存储器和相应的 I/O 构成。 PCA 应用子系统的开放式软件框架根据构件的层次体系结构，可以分为系统软件、中间件、特 定业务和用户应用等层。 ·系统软件（嵌入式 OS）为各种任务及应用任务提供了结构框架和基本服务：支持数据流音频 和视频应用的多媒体服务、安全服务、用户设备的平台管理服务和通信服务。） ·中间件：以组件形式提供了集成性能中间件，如：多媒体框架（其包括了各种多媒体编解码 器、过滤器和转发器等，并可集成至操作系统和执行环境中）、IP 电话技术套件、音频处理组件 及加密/认证的安全算法。它也允许可自制中间件。 另外，Intel 还提供了集成性能函数库 IPP（Integrated Performance Primitives ）。这是跨 平台的底层软件，它从处理器提取了多媒体编解码器功能，提供了一组底层映像和信号操作功 能。 IBM 公司的 IBM Web Sphere Everyplace Embedded 是基于嵌入式设备的中间件（如图 3 所示）。在各种嵌入式处理器（包括 Intel 的 Strong ARM/XScale）上安装各种嵌入式操作系统 （QNX、嵌入式 Linux、VxWorks 等），为应用建立了高效率的 Java 虚拟机（JVM）的 J9VM，与 Visual Age Micro Editioan1.4 with EclipseBeta( WSDD)集成开发环境。这样可以更加便于 用户开发。 图 3IBM Web Sphere Every place Embedded 对于家庭网关的应用，还为其配备了 OSGi(Open Services Gateway Initiative)的协议。OSGi 是由 IBM、SUN、Motorola、阿尔卡特、爱立信等近百家厂家参加的开放式服务网关技术规范组 织，是连接家庭内外的服务中转机制，使家庭的数字式家庭网络与外界 Internet、广域网很好 连接和传输。采用了 Java 核心技术，可支持蓝牙、LonWorks、CAN、HonePNA、HAVi、HomePF 等各种协议和通信技术，可以很好地解决家庭网关中的点对点传输。 因此，我国嵌入式系统的开发在研制拥有自主知识产权的嵌入式处理器芯片和嵌入式操作 系统的同时，还应针对我国的嵌入式应用，有规划地研制适合我国国情的各种应用平台，使得 我国的嵌入式应用产品的开发避免不必要的重复和无序竞争。 三、嵌入式系统应用产品 嵌入式系统早期主要应用于军事等领域，以后逐步广泛的应用于工业控制、通信、仪器仪 表和家用消费等领域；随着Internet的发展，新型嵌入式系统正朝着信息家电IA和3C（Computer Communication& Consumer）产品方向发展。 随着 3G 和 2.5G 的开通，以手机为主的手持式信息终端，也赋予了新的功能，可成为一台 移动式信息终端，从而可实现移动计算、移动多媒体和嵌入式数据库等功能。使 IT 格局将会重 新排序。我国的手机拥有量已为世界第一，从而也给我国带来无限商机。 信息家电 IA 一直是嵌入式系统最成熟和最广泛的应用领域。新型信息家电也可称为 3C(Computer、Communication& Consumer)产品。据美国“华尔街日报”今年 7 月 3日的一份技 术专题报告中，对消费类电子产品的信息家电进行的专门的描述，认为具有 RISC 嵌入式处理器 核的新的信息家电将会把人们带入五彩缤纷的世界，并列举了近来吸引人们视线的产品：网上 游戏、电子书刊、MP3、智能电话、新型 VCR、新型 DVD、VoD、身临其境的音响、卫星数字收音 机、各类新型电子玩具和各种手持式大型 LCD 显示产品等。同时，也指出像微软等这些公司也 开始指染这些领域，如去年推出的 Xbox 游戏终端在日本得到很好的市场反响。我国是消费类电 子产品大国，嵌入式系统在信息家电中的应用大有市场。 嵌入式系统在面向 Internet 的产品应用一直深受人们的关注。据统计，美国的宽带业务覆 盖率已达人口的 90%，而只有 12%左右的家庭安装的宽带接入装置。之所以如此，很重要的原因 就是没有必要的应用来刺激。故美国的政界和商界准备推出远程工作（Telework）宽带业务 “Killer Appliation”来推动美国的宽带业务的发展。认为远程工作可以节约办公场地、节省 交通费用、加快办公速度和提高工作效率。我国在此方面也应大有作为的，不应把目前的应用 停留在抄三表与安保上，应结合智能社区的建设，为每个家庭建立信息家电平台，开展健康医 保、物业管理、无形超市等具有我国特色的宽带接入服务。