淺談嵌入式系統(tǒng)的應用及發(fā)展趨勢

杜麗穎

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,CPU已經(jīng)變成低成本器件。在可能的情況下,各種機電設備已經(jīng)或者正在嵌入CPU構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)。據(jù)Virginia Tech公司報告,嵌入式系統(tǒng)中所使用的CPU數(shù)量已經(jīng)超過通用PC中CPU數(shù)量的30倍。

現(xiàn)在系統(tǒng)研究的重點已從通用系統(tǒng)轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ孟到y(tǒng),以及從一般性能轉(zhuǎn)向可靠性、可用性、安全性、自主性、可擴展性、功能性、靈活性、成本、體積、功耗及可管理性上。

InStat/MDR曾預測在2001—2006年期間,32位向控制器(MCU)的復合年增長率可達22.6%。而全球32位MCU市場在2003年的增長幅度實際已走過30%,在2004年預計將達到38%。增長的驅(qū)動因素主要有兩個方面。

一方面因為像數(shù)碼相機、MP3播放機、PDA、游戲機和移動電話手機等手持設備以及各種信息家電等有更高性能要求的多媒體和通信設備的推出。在這些應用中,龐大的多媒體數(shù)據(jù)必然需要更大的存儲空間,目前許多32位微控制器都可以使用 SDRAM,因此可極大地降低使用更大容量數(shù)據(jù)存儲器的成本;而8位微控制器一般只能使用成本較高的SRAM作為數(shù)據(jù)在座器。此外除了處理應用控制功能之外,需支持互聯(lián)網(wǎng)接入的應用在MCU運行TCP/IP或其他通信協(xié)議的情況下,要求系統(tǒng)建立在RTOS上就必然成為一種現(xiàn)實需求。另外,有越來越多的像電視機、汽車音響及電子玩具等傳統(tǒng)應用也與時俱進地提出數(shù)字化和“硬件軟化”的要求,它們對計算性能的要求及存儲器容量的需求都超出絕大多數(shù)8位微控制器能提供的范圍。

另一方面由于IT技術(shù)發(fā)展的推動,32位ARM體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種事實上的標準,隨著高端32位CPU價格的不斷下降和開發(fā)環(huán)境的成熟,促使32位嵌入式處理器日益擠壓原先由8位微控制器主導的應用空間。隨著ARM處理器在全球范圍的流行, 32位的RISC嵌入式處理器已經(jīng)開始成為高中端嵌入式應用和設計的主流。

一、單片機及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程

電子數(shù)字計算機誕生于1946年,在其后漫長的歷史進程中,計算機始終是供養(yǎng)在特殊的機房中,實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代,微處理器的出現(xiàn),計算機才出現(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性特點,迅速走出機房;基于高速數(shù)值解算能力的微型機,表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣,要求將微型機嵌入到一個對象體系中,實現(xiàn)對象體系的智能化控制。

單板機和嵌入式電腦平臺系統(tǒng),20多年來在中國的各個行業(yè)得到了廣泛的應用,但技術(shù)較為落后(8位機)不能滿足社會發(fā)展的需要。而32位單板機和嵌入式電腦平臺系統(tǒng)具有:處理速度快(260MHz主頻);接口豐富(串口、并口、RJ45口、USB口等);內(nèi)存容量大(64MBRAM、64MBROM、外接硬盤等)等優(yōu)點。

二、國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

主要適用與消費類電子產(chǎn)品(移動手持設備、PDA、游戲機、音頻播放器、數(shù)字機頂盒)、汽車電器(GPS定位系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、機動車行使記錄系統(tǒng))、通訊產(chǎn)品(PDA手機、MP4播放器)、網(wǎng)絡產(chǎn)品、醫(yī)用電子產(chǎn)品(心電儀、脈象儀、監(jiān)護儀)、工業(yè)控制領(lǐng)域(傳統(tǒng)的8位/16位微控制器升級換代)等多個領(lǐng)域,并會在將來取得更加廣泛的應用。

上面提到的幾個領(lǐng)域都需要這個產(chǎn)品,而且需求量還會不斷增加。特別是振興東北老工業(yè)基地的政策,必將帶動投資熱,設備改造熱等都給我們的產(chǎn)品帶來收入。我們的產(chǎn)品目前處于壽命周期的成長階段,所以我們的產(chǎn)品會不段開發(fā)新用途,不斷發(fā)展。

日本嵌入軟件開發(fā)規(guī)模約為2萬億日元(約合人民幣1 538億元),技術(shù)人員約為15萬人──這就是目前日本嵌入軟件產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。

在技術(shù)人員數(shù)量方面,對于日本約89 000家嵌入系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)總計約480萬名員工,把調(diào)查得出的嵌入軟件技術(shù)人員人數(shù)分布結(jié)果,根據(jù)企業(yè)規(guī)模加以應用,推算出日本的嵌入軟件技術(shù)人員約有15萬人。此外還發(fā)現(xiàn),以前的嵌入軟件產(chǎn)品中,源代碼行數(shù)平均約為49.5萬,新開發(fā)的源代碼行數(shù)平均約為17.7萬。委托外部開發(fā)的企業(yè)超過8成,購買使用嵌入軟件的軟件部件的企業(yè)有6成左右。

2004年,日本嵌入式軟件開發(fā)規(guī)模約為1 538億元人民幣,技術(shù)人員約為15萬人。隨著嵌入式軟件的高速發(fā)展,日本嵌入式軟件人才急劇短缺,開始將業(yè)務向中國轉(zhuǎn)移。專家預測,到2010年,日本將要轉(zhuǎn)移到大連的開發(fā)量為2萬人,年產(chǎn)值達到40億元。

InStat/MDR曾預測在2001—2006年期間,32位向控制器(MCU)的復合年增長率可達22.6%。而全球32位MCU市場在2003年的增長幅度實際已走過30%,在2004年預計將達到38%。

三、32位嵌入式單片計算機的主要性能

采用韓國三星公司生產(chǎn)的S3C2410X微處理器為核心,開發(fā)的單板機具有如下特點:

1.處理速度快(主頻能達到260MHz);

2.接口豐富(串口、并口、RJ45口、USB口等);

3.內(nèi)存容量大(64MBRAM、64MBROM、可外接硬盤光驅(qū)等);

4.方便用戶的二次開發(fā)和使用;

5.進行了嚴格的電磁,溫度,高壓脈沖,老化,灰塵等測試,性能穩(wěn)定;

6.應用領(lǐng)域廣,適用與消費類電子產(chǎn)品、汽車電器、通訊產(chǎn)品、網(wǎng)絡產(chǎn)品等多個領(lǐng)域,并會在將來取得更加廣泛的應用;

7.不但在匯編軟件方面開發(fā)豐富的軟件供用戶選擇,而且要在高級語言方面有所突破。使用的開發(fā)程序設計語言不再是開始效率很低的匯編語言,而越來越多地使用開發(fā)效率很高的高級語言。C語言已成為主流通用開發(fā)語言。我們的軟件還可以在Linux系統(tǒng)、WindowsCE系統(tǒng)上運行。這給二次開發(fā)企業(yè)提供了極大的方便。

為了在嵌入軟件領(lǐng)域盡快達到國際先進水平,國家863專家委員會于2002年確定由中興通訊牽頭,聯(lián)合中科院計算所、浙江大學共同承擔國家“面向通訊領(lǐng)域的嵌入軟件開發(fā)平臺”項目,通過研究與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的方式,盡快掌握嵌入軟件領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),提高我國在軟件領(lǐng)域的競爭力。該項目入選國家863計劃信息技術(shù)領(lǐng)域軟件重大專項課題。

日前,為推動和引導嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展,迅速提升產(chǎn)業(yè)的整體競爭力,中國軟件行業(yè)協(xié)會日前正式成立了嵌入式系統(tǒng)分會,是國家鼓勵發(fā)展的項目。綜上所述,根據(jù)嵌入技術(shù)的不斷發(fā)展和進步,軟件和硬件系統(tǒng)必將分開發(fā)展,互相促進。同時生產(chǎn)企業(yè)為了提高工作效率,加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度,必將與專業(yè)軟件公司合作。這些都給嵌入軟件業(yè)的發(fā)展帶來機遇。

(編輯/永安)