嵌入式系统的应用论文

嵌入式系统的应用论文 嵌入式系统在机顶盒中的应用 摘 要:简述嵌入式系统的概念，发展历程及其在机顶盒中的应用。 关键词:嵌入式系统;嵌入式浏览器;机顶盒 一、嵌入式系统的概念 嵌入式系统(Embedded System)是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，它的定义是:“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。 二、嵌入式系统的架构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3个部分:(1)硬件环境:是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。(2)嵌入式操作系统:完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。(3)嵌入式应用程序:运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 三、嵌入式系统的发展历程及现状 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物，是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。它起源于微型机时代，近几年网络、通信、多媒体技术的发展为嵌入式系统应用开辟了广阔的天地，使嵌入式系统成为继PC和Internet之后，IT界的新技术热点。 20世纪70年代发展起来的微型计算机，由于体积小、功耗低、结构简单、可靠性高、使用方便、性能价格比高等一系列优点，得到了广泛的应用和迅速的普及。微型机表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固和机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的计算机，称为嵌入式计算机系统。由此可见，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。 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。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。 20世纪90年代后，伴随着网络时代的来临，网络、通信、多媒体技术得以发展，8/16位单片机在速度和内存容量上已经很难满足这些领域的应用需求。而由于集成电路技术的发展，32位微处理器价格不断下降，综合竞争能力已可以和8/16位单片机媲美。32位微处理器面向嵌入式系统的高端应用，由于速度快，资源丰富，加上应用本身的复杂性、可靠性要求等，软件的开发一般会需要操作系统平台支持。 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，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。 四、嵌入式操作系统的特点 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面:一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出。 1(系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核,简直没有可比性。 2(专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。 3(系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4(高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。 5(嵌入式软件开发要想走向化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS(Real,Time Operating System)开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6(嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于设计完成以后用户通常是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 五、嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括: 1(工业控制:基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。 2(交通管理:在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。 3(信息家电:这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。 4(家庭智能管理系统:水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。 5(POS网络及电子商务:公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。 6. 环境工程与自然:水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 7. 机器人:嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。 六、嵌入式系统在机顶盒中的应用 数字电视技术的不断发展，使得广播电视从模拟时代进入数字化时代成为历史的必然，因为采用全数字传输，不仅能提高视听质量，节约频率资源，而且服务内容和形式会更加丰富多彩，作为模拟电视到数字电视过渡技术的数字机顶盒技术将在我国长期存在和发展。 如今数字电视机顶盒技术已经非常成熟，涉足该领域的公司也越来越多，如何在激烈的竞争中立于不败之地，是摆在众商家面前非常严峻的问。经过对市场的调研，我们得知，开展数字电视增值业务是一个明智的选择。广播式浏览器是一款应用于数字机顶盒中的增值业务，通过系统集成把广播浏览器软件集成到机顶盒中，实现对前端播出的符合国际标准的网页数据流的接收、处理和显示，使得用户可以根据需要，方便地浏览相关的最新业务信息。 数字电视业务不仅提供了高清晰的数字节目，也带来了更吸引人的交互式服务，如:电子节目指南(EPG)、视频点播(VOD)、远程教育、互动娱乐等。这些都包含大量视频、音频、图片等高带宽的多媒体应用。为了在数字电视中浏览这些多媒体信息，通常在数字机顶盒中实现嵌入式浏览器。目前嵌入式浏览器技术已成为数字电视中的核心技术。 嵌入式浏览器首先必须是一个网络信息浏览器， 支持HTYP或者WAP等其它传输协议， 支持HTML，JavaScript或扩展XML，WML等标记语言，可以完成网页的浏览功能;其次，这个浏览器必须适合在非PC 的嵌入式信息设备中存在、运行并完整实现通信传输协议、标记语言所规定的功能，必须能够根据嵌入式设备的多样性需要而方便地进行裁减和修改， 并满足信息设备使用者对获取文字、图像、声音、视频等多媒体信息的需求。 数字机顶盒由硬件系统和软件系统构成，音视频解码主要由硬件实现，而操作界面的功能、电视图像的重现、数据广播业务的平台以及Internet的接入等都需要软件系统实现。其中数字机顶盒的软件系统主要由嵌入式操作系统(EOS)、硬件抽象层(HAL)、软件抽象层(SAL)以及应用程序(ASL)组成。以下主要分析嵌入式操作系统。 人们一般把处理器使用内存较少，对外存需求低并且操作系统装在有限的内存中这样的系统称之为嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统一般包括核心系统、图形窗口系统、文件系统、网络通讯系、应用程序接口(API)以及设备驱动程序接口(DDI)等部分。 对于机顶盒而言嵌入式操作系统恰恰是它的灵魂部位，因为机顶盒工作性能的优异与其使用上是否方便都大大取决于嵌入式操作系统。另外为机顶盒的科学技术含量也是由所带的嵌入式操作系统体现的。 作为嵌入式系统应当具有以下几个特点: (1)所需的成本低，体积较小以及嵌入升发软件代码的安全可靠性高，另外为了避免用户对其中的程序功能进行修改所以不具备二次开发的能力; (2)嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物; (3)嵌入式系统所实现的功能单一，通常是面向特定的应用，这也正是低功耗的原因，所以一般只实现某些行业的特定功能。 与其他网络应用一样，浏览器应用也采用客户,服务器模式。当浏览器与服务器交互时，都遵循超文本传输协议(H ITI'P，Hyper Text Transport Protoco1)。为了确保浏览器与服务器能够明确地相互操作，HrITP定义了浏览器发送到服务器的请求格式与服务器返回的应答格式。通常情况下，系统把Web页面传送给运行用户界面的Web浏览器，这些页面中的一部分是静态的，可以存储在嵌入式系统中;在其他情况下，系统通过动态生成的页面把设备的当前状态传送给用户。终端用户也可以通过Web浏览器发送信息给前端来定制或控制设备。 前端设备使用H1?’标准协议把Web页面从前端服务器传送给web浏览器;把HTML格式的数据从浏览器传送给接收设备。浏览器是一个交互程序，从概念上讲，它是由一组客户、一组解析器与一个管理它们的控制器组成。 每组解析器必须包含一个HTML解析器来显示文档，其他解析器是可选的。HTML解析器的输入由符合HTML语法的文档所组成，输出由位于用户显示器上的格式版本文档所组成。解析器通过将HTML转换成适合用户显示硬件的命令来处理版面细节。HTML解析器的一个最重要的功能是包含可选项。解析器必须存储关于显示器上位置之间关系的信息和HTML文档中被瞄定的项。当用户用鼠标或遥控键盘选定了一个项，浏览器通过当前的光标位置和存储的位置信息来决定哪个项被用户选定。 嵌入式浏览器可分为两类，一类为移植开源的Linux浏览器: 1)Mozila，功能很强，但是体积庞大，不适合一些资源有限的嵌入式系统; 2) konqueror embedded，基于Qte，是一个不错的嵌入式浏览器; 3) Dillo，使用GTK 作为GuI平台开发的浏览器。该浏览器的缺点是不支持表格，布局过于简单，不支持中文，浏览效果比较差，优点是网络功能完善，支持Cache缓冲。能够支持多种图片格式; 4) ViewML，支持X 窗口系统和微软Windows平台，体积小，浏览速度较快，不支持中文。 另一类为大公司提供的商业浏览器: 1)Access Nefront，来自日本浏览器大厂Access公司，是全球应用最广泛的嵌入式浏览器。它符合W3C最新标准，支持CSS，DHTML(动态HTML)以及WAP2(0协议， 它使得资源有限的非PC设备能够顺利地浏览互联网内容。支持众多的操作系统，显示效果非常好，对中文也有良好的支持。 2) OpenTV device mosaic，由全球领先的互动电视公司OpenTV 提供的优秀的嵌入式浏览器，基于最新的Web标准， 满足下一代交互电视的要求。还可根据平台性能进行定制。 3) Internet Explorer for WinCE， 是IE 的Windows CE 版， 功能强大，但只能在WinCE上使用。 4)iPanel，由深圳茁壮公司开发成功的相X-:t实用化的成熟产品。占用资源少，支持中日韩文。 移植开源的Linux浏览器的一大优点是费用低廉，但是无法获得强大的技术支持，同时这些浏览器普遍没有针对数字电视进行优化，有些浏览器软件代码过于庞大，占用资源过多，实用化程度不高，且大都不支持中文。购买商业的嵌入式浏览器需要支付相当的费用，但却可以获得这些公司的技术支持，有利于缩短移植时间，同时这些浏览器针对数字电视应用进行了专门的优化，适合集成在数字机顶盒中。 七、嵌入式系统的发展趋势 信息时代，数字时代使得嵌入式产品获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。 2(网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、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。 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，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。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，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。 总结 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应用，信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题将日渐突出，如何建立相关标准成为业界关注的问题。随着宽带网络和数字电视的发展，嵌入式浏览器在机顶盒中的地位越来越重要。将来嵌入式浏览器还应对两项重要的技术提供更好的支持:一个是XML技术，它良好的扩展性、自我描述性特别适合快速发展数字电视业务;另一项是Java，它能为数字电视带来更强劲的交互功能，当然这需要数字机顶盒在硬件上取得更大的发展。嵌入式系统应用领域千差万别，嵌入式操作系统与嵌入应用软件共同发展，我们要充分重视他们，这将对开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。 参考文献 [1] 王明臣.数字电视与高清晰度电.中国广播电视出版社，2003 [2] 方涛.数字电视业务信息及其编码.国防工业出版社，2003 [3] 张大波.嵌入式系统原理、设计与应用.机械工业出版社，2005 [4] 沈连丰.嵌入式系统及其开发应用.电子工业出版社，2005 [5] 田泽.嵌入式系统开发与应用.北京航空航天大学出版社，2005 [6] 符意德.嵌入式系统设计原理及应用.北京:清华大学出版社，2010