3.1.3 嵌入式系统
1.嵌入式系统概述
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与各行业的具体应用相结合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统是指将应用程序、操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。这种系统具有高度自动化、可靠性高等特点。
嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成：嵌入式系统的硬件主要包括嵌入式核心芯片、存储器、I/O端口等；嵌入式系统的软件则由嵌入式操作系统和相应的各种应用程序构成。有时，把这两者结合起来，应用程序控制系统的运作和行为，而嵌入式操作系统控制应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式软件就是嵌入在硬件中的操作系统和开发工具软件。嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置，是以应用为中心、以计算机技术为基础，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式软件是基于嵌入式系统设计的软件，也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。
2.嵌入式系统的应用
嵌入式系统技术具有广阔的应用前景，其应用领域包括工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、POS（Point of Sale，销售终端）网络及电子商务、机器人等。
1）工业控制领域
基于嵌入式芯片的工业自动化设备将实现长足的发展，目前已有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器投入应用。网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，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、石油化工系统等。
2）交通管理领域
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务等交通管理方面，嵌入式系统技术已获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）模块的移动定位终端在各种运输行业获得了成功的使用。目前，GPS设备已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）信息家电领域
嵌入式系统技术在智能信息家电的应用上也有突破性进展，特别是数字信号处理的应用和发展，使得系统的语音和图像处理能力大大增强，不仅可以最大限度地利用硬件投入，而且还避免了资源浪费。
4）家庭智能管理领域
在家庭智能管理方面，水表、电表、煤气表等远程自动表，安全防火、防盗系统中内置的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并可以实现更高、更准确和更安全的性能。
嵌入式技术是在网络的基础上产生和发展的，因此在家庭智能控制中，应具有安全、快速地与外界进行信息交换的功能，这就要求计算机的存储器、运算速度等性能指标比较高。嵌入式系统一般都是小型专用系统，使嵌入式系统很难承受占有大量系统资源的服务。实现嵌入式系统的网络接入、“瘦”Web服务器技术及嵌入式网络安全技术是嵌入式系统接入网络技术的关键和核心。
5）POS网络及电子商务领域
在POS网络及电子商务方面，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（Automated Teller Machine，自动取款机）终端全面走入人们的生活，手持一卡就可以行遍天下。
6）机器人领域
嵌入式芯片的发展使机器人在微型化、高智能方面的优势更加明显，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。
除上述介绍的应用外，嵌入式系统与互联网相结合还会产生其他应用，如自动售货机、掌上电脑、水电表控制、楼宇控制、工厂自动化、蜂窝电话及保密系统等。嵌入式系统与互联网相结合的应用如图3-3所示。
物联网技术中所采用的各类高灵敏度识别、专用的信号代码处理等装置的研发，将会更进一步推动嵌入式智能技术在物联网中的应用。
嵌入式软件的发展主要在国防、工控、家用、商用、办公、医疗等领域，如常见的移动电话、掌上电脑、数码相机、机顶盒、MP3等都是用嵌入式软件技术对传统产品进行智能化改造的结果。目前最值得关注的嵌入式软件的产品市场主要集中在以下五类：家庭信息网络、移动计算设备、网络设备、自动化与测控仪器仪表、交通电子设备。嵌入式系统是中国企业从“中国制造”向“中国创造”转变的最佳契机。
图3-3 嵌入式系统与互联网相结合的应用
3.嵌入式系统的发展现状
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。进入20世纪90年代，嵌入式技术得以全面展开，目前已经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，欧洲的数字电视广播（Digital Video Broadcasting，DVB）技术已在全球大多数国家推广；数字音频广播（Digital Audio Broadcasting，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。
在所有上述的技术产品中，都离不开嵌入式系统技术。“维纳斯计划”生产机顶盒，其核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，以图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）为中心的多媒体界面就给人带来很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件，以及彩色图形、图像等技术已取得初步成效。
在硬件方面，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研究，已相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有，而且巨大的市场需求提供了学习研发的资金和技术力量。
在软件方面，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有科银（CoreTek）公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem、中科院推出的Hopen嵌入式操作系统等。因为是研究热点，所以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。这对于从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。