第l章嵌入式系统概述无忧电子开发网-在线阅读

1．1嵌入式系统简介
1.1．1什么是嵌入式系统
    在讨论嵌入式系统定义之前，先来看一看图1．1所示的几个嵌入式系统的典型应用。
    嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。由于目前嵌入式系统已经渗透到日常生活的各个方面，其在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围都不断扩大，因此难以给“嵌入式系统”下一个明确的定义。
    举个简单例子：一个手持的MP3是否可以称为嵌入式系统呢?答案是肯定的。那么一个Pcl04的微型工业控制计算机是嵌入式系统吗?当然也是，工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。然而比较两者，会发现除了其中都嵌入了微处理器，二者几乎完全
不同。那是否可以说嵌入了微处理器的设备就是嵌入式系统呢?

       那么到底什么是嵌入式系统呢?
   1．嵌入式系统的历史
   虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从20世纪70年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。作为一个系统，往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。20世纪70年代单片机的出现，使得汽车家电、工业机器人、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，更易使用，速度更快、价格更低。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

提示：最早的8位单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4KB的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。80年代初，
Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页．迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。

　　从20世纪80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率。1981年，Ready System开发出世界上第1个商业嵌入式实时内核(VTRX32)。

这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。此后一些公司也纷纷推出了自己的嵌入式操作系统，如Integrated System Incorporation(ISI)的pSOS和WindRivr的VxWors、QNX公司的QNX等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员从小范围的开发中解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。20世纪90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统(RTOS)，并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS、WindowsCE、嵌入式Linux、Lynx、Nucleus以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。图1．2是几个比较有代表性的嵌
入式操作系统。


风河的Tornado/vxWorks	Palm公司的Palm OS	微软的windowsCE(引自www.pocketpcpower.net)

今天，RTOS已经在全球形成了一个产业，根据美国EMF(电子市场分析)报告，1999年全球RTOS市场产值达3．6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具(包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器)则高达9亿美元。

2．嵌入式系统的定义
根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，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”(原文为devices usedt0 control,monitor,0r assist theoperation 0f equipment machinery or plants)。这主要是从应用上加以定义的，由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可
靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：

1．1．2嵌入式系统的特点
从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征：
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，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5KB，而Windows的内核则要大得多。

    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”是完全不同的概念。
    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，不要求其功能的设计及实现过于复杂，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．高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储，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标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应甩程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；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专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此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。

1．1．3嵌入式系统的分类
由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。

1．嵌入式系统的硬件
从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个，其中8051体系占大多数。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近
100种。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64KB到256MB，处理速度从O．1MIPS到2000MIPS。
嵌入式处理器一般具有以下4个特点：

如图1—4所示，一般可以将嵌入式处理器分成4类，即嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit，MPU)、嵌入式微控制器(MicroController Unit，MCU)、嵌入式DSP处理器(DigitalSignal Processor，DSP)和嵌入式片上系统(System 0n Chip，SOC)。

　 ◆ 嵌入式微控制器(MicroController Unit，MCU)嵌入式微控制器(如图1．5所示)的典型代表是单片机。从20世纪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8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成了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、EEPROM等各种必要功能和外设。与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。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

　　由于MCU低廉价格、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MCU8XC930/931、C540、541，并且具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1-5 MCU　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　DSP处理器（如图1-6所示）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执行速度。在数字滤波、频普分析等仪器上，DSP获得了大规模的应用。
　　DSP的理论算法在20世界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的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快几十倍，在语音合成和编码解码器中得到广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步和发展，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了成倍提高，成为语音处理、图象硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步的提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更广阔。
　　目前最为惯犯应用的是T1的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens　　　　　图１-６　ＤＳＰTriCore也有各自的应用范围。

　　◆ 嵌入式微处理器( MicroProcess Unit ，MPU)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　嵌入式微处理器(如图1-7所示)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，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，它只保留与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了嵌入式应用的特殊要求。与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、SC一400、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。

　　片上系统SOC(如图1-8所示)是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，一点点地连接焊制，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，还有少数通用系列如Siemens的Tricore、Motorola的M—Core、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．嵌入式系统的软件
　　嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机硬件便于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。操作系统有4个主要任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理和I／O资源管理。

　　嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应。实时操作系统与分时操作系统有着明显的区别。具体地说，对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。而对于实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须在事件随机发生时，在严格的时限内做出响应(系统的响应时间)。即使是系统处在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。

　　Stankovic给出了实时系统的定义，“实时系统是这样一种系统，即系统执行的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且还取决于结果的产生时间。”

实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时和软实时的区别就在于对外界的事件做出反应的时间。硬实时系统必须是对事件做出及时的反应，绝对不能错过事件处理的时限。在硬实时系统中如果出现了这样的情况就意味着巨大的损失和灾难。比如说航天飞机的控制系统，如果出现故障，后果不堪想象。

　　软实时系统是指，如果在系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害。比如液晶屏刷新允许有短暂的延迟。

　　硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。对于软实时系统，选择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐量；而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是调度方式简单，反应速度快的实时调度算法。一个商业的RTOS必须具有以下两个评价指标：

　　◆ 中断响应时间，指从中断发生到相应的ISR(中断服务程序)运行的时间间隔。中断响应时间与应用程序相匹配，而且是可预测的。如果同一时问有多个中断发生，则中断响应时间的数量级要增加。
　　◆ 临界情况执行时间(Worst-Case Execution Time，WCET)表示每个系统调用的时间，它是可预测的，而且系统的每个任务都有独立的数据。目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统，如图1．9所示。

　　实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CE 2．0就是一个多任务分时系统，而uC/0S则是典型的实时操作系统。

　　当然，除了上述分类之外，还有许多其他分类方法，比如从应用方面分为工业应用和消费电子等，在这里就不一一赘述了。

1．2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具有很大的发展空间，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言，低端型往往采用8位单片机，但是随着技术的发展，32位、64位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得更大的发展。图1—10即是嵌入式工控机主板。
　　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成功使用。目前GPS设备(如图l一11所示的GPS手持机)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
　　这将成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。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设各中，嵌入式系统将大有用武之地。图1一12是信息家电的～种——家庭网络视频电话。

　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，其中嵌入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。目前在服务领域中，一些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。图l一13是一个现代化小区的智能防盗系统。

　　5．POS网络及电子商务
　　公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard，CSC)发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机(如图1-14所示)、各种智能ATM终端将全面走八人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。

　　6．环境监测
　　环境监测包括水文资料实时监测、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等。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、智能化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。除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其他方面的应用。可以毫不夸张地说，嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可是说是“无处不在”，尤其是在控制方面的应用。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，家电产品的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，所有基于网绍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。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。

1．3嵌入式系统在机电控制方面的应用
　　相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。从最初的单片机到现在的工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。工业设备是机电产品中最大的一类。在目前的工业控制设备中，工控机的使用非常广泛，这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备，其中以x86的．MPU最多。工控的要求往往较高，需要各种各样的设备接口，除了进行实时控制，还须将设备状态、传感器的信息等在显示屏上实时显示，8位的单片机是无法满足这些要求的。以前多数是使用16位的处器，随着处理器快速的发展，目前32位、64位的处理器逐渐替代了16位处理器，进一步提升了系统性能。采用PCI04总线的系统，体积小，稳定可靠，受到了很多用户的青睐。不过这些工控机采用的往往是DOS或者Windows系统，虽然具有嵌入式的特点，却不能称做纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面，则是各种嵌入式处理器的天下。这些控制器往往采用16位以上的处理器，各种MCU、ARM、MIPS、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源，可以通过它们实现数据采集、数据处理、通信以及显示(显示一般是连接LED或者LCD)。最近飞利浦和ARM共同推出了32位RISC嵌入式控制器，适用于工业控制，采用最先进约0．18微米CMOS嵌入式闪存处理技术，操作电压可以低至1．2V，它还能降低25％~30％的制造成本，在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国TERN工业控制器基于Aml88／186ES、i386EX、NECV25、Am586(Elan SC520)，采用了SUPERTASK实时多任务内核，可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业
控制与工业自动化设备以及其他需要控制处理的设备。

　　家电行业是嵌入式应用的另一大行业。传统的电视机、电冰箱中也嵌有处理器，但是这些处理器只是在控制方面应用。现在，只有按钮、开关的家电显然已经不能满足人们的日常需求，具有用户界面，能远程控制、智能管理的电器是未来的发展趋势。据IDG发布的统计数据表明，未来信息家电将会成长5~10倍。中国的传统家电厂商向信息家电过渡时，首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面，进行智能信息控制并不是很高的要求，目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求，真正的难点是如何使件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。Linux可以起到很好的桥梁作用，作为一个跨平台的操作系统，它可以支持二三十种CPU，而目前已有众多家电业的芯片厂家都开始做Linux的平台移植工作。1999年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人～个数字家庭的概念，引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来，使信息家电深入人心。如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片。英特尔公司已专为信息家电业研发了名为

StrongARM的ARM cPu系列，这一系列cPU本身不像x86 CPU需要整合不同的芯片组，它在一颗芯片中可以包括所需要的各项功能，即硬件系统实现了SOC的概念，它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在不久的将来，数字智能家庭必将来到我们身边。
机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。最早的机器人技术是20世纪50年代MIT提出的数控技术。当时使用的控制方法还远未达到芯片水平，只是简单的与非门逻辑电路。之后由于处理器和智能控制理论的发展缓慢，从50年代到70年代初期，机器人技术一直未能获得充分的发展。70年代中期之后，由于智能理论的发展和MCU出现，机器人逐渐成为研究热点，并且获得了长足的发展。近来由于嵌入式处理器的高度发展，机器人从硬件到软件也呈现出新的发展趋势。例如，火星车就是一个典型例子。这个价值lO亿美金的技术高密集移动机器人，采用的是美国风河公司的VxWorks嵌入式操作系统，可以在不与地球联系的情况下自主工作。1997年美国发射的“索杰纳”火星车带有机械手，可以采集火星上的各种地况，并且通过摄像头把火星上的图像发回地面指挥中心。这台火星车在火星上自主工作了3个月，充分体现了VxWorks系统的高可靠性。以索尼的机器狗为代表的智能机器宠物，可以仅仅使用8位的AVR、51单片机或者16位的DSP来控制舵机进行图像处理，就能制造出那些人见人爱的玩具，让人不能不惊叹嵌入式处理器强大的功能。近来32位处理器，Windows cE等32位嵌入式操作系统的盛行，使得操控一个机器人只需要在手持PDA上获取远程机人的信息，并且通过无线通信即可控制机器人的运行。与传统的工控机相比，要轻巧便捷得多。图1-15就是采用卡西欧PDA和Windows cE操作系统的机器人控制器。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化，微型机器人、特种机器人等也将获得更大的发展机遇。

图1-15卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器
(采用卡西欧PDA和windows CE)

　　图1一16是日本富士通公司推出的面向科学研究和家庭服务的小型仿人形机器人HOAP-l，共有20个自由度，重6kg，高48cm，外形轻巧紧凑。富士通公司开放了机器人的内部体系结构，允许用户自由地开发自己的程序，控制机器人完成各种动作，因此，这是一款完全开发的仿人形机器人平台。提供的基本仿真软件和设计的用户开发程序是运行在RT—Linux操作系统上，通过USB接口与机器人之间进行通信，而且机器人内部的传感器和驱动器也采用USB接口，这样可以非常容易地根据需要扩展。

图1一16日本富士通公司的仿人形机器人HOAP—l
(引自www.liuxdevices.com)

1．4．1嵌入式系统的现状
　　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1999年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能(电脑)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1998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。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，GUI屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的亲和力。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、短消息语音发布等功能，应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机、自动售货机、工业控制等专用设备，与移动通信设备、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，就是把网络、控制、信息结合起来，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，也有相当多的成熟软件系统。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京成(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。由于是研究热点，读者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应有尽有，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者，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开发，都相对来说比较容易。这就使得很多初学者能够比较快地进入研究状态，利于发挥大家的积极性和创造性。

　　今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了l万亿美元。来自1997年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”。由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加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“女娲计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息家电这两年更成了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，只有两三家公司和极少数人员在从事这方面工作。

1.4.2未来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机遇，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板级支持包(BSP)，而WidowscE在主推系统时也提供EmbeddVC++作为开发工具，还有VxWorks的Tornado开发环境、Delta OS的Limda编译环境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网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，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)，扩展总线类型(如CANBus)，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，有的还支持lEEEl394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也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，为了降低功耗和成本，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，不断改进算法，优化编译器性能。因此，软件开发人员既要有丰富的硬件知识，又需要发展先进的嵌入式软件技术，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、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像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、多媒体技术上多下功夫。手写文字输入、语音
拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使用户获得自由的感受。目前一些先进的PDA在显示屏幕上己实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备要达到这个要求还有很长的路要走。

练习题