智能嵌入技術(shù)-嵌入式技術(shù)

　　基本概念

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

　　基本特點(diǎn)

　　嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

　　1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的 嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的 系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。

　　2.嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。

　　3.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力

　　4.嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。

　　5.為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。

　　6.嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。

　　智能嵌入技術(shù)-在家居中的應(yīng)用

　　控制器(MCU)已經(jīng)在家庭和工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用,通稱嵌入式系統(tǒng),因?yàn)橛?jì)算機(jī)芯片是嵌入在有關(guān)的設(shè)備中的,沒有自己獨(dú)立的外殼。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段,以MCU為核心,與一些監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。Internet現(xiàn)已成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施之一,是信息流通的重要渠道,如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet上面,則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方。隨著嵌入式技術(shù)的不斷進(jìn)步和更廣泛的運(yùn)用,嵌入式系統(tǒng)在智能家居中的運(yùn)用也會(huì)隨之有更加廣闊的發(fā)展前景。

　　嵌入式技術(shù)的概念

　　嵌入式技術(shù)是將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件,嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的一種技術(shù),也就是說,它將軟件固化集成到硬件系統(tǒng)中,將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)一體化。嵌入式具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化和響應(yīng)速度快等特點(diǎn),因而進(jìn)入21世紀(jì)后其應(yīng)用越來越廣泛,例如,各種家用電器如電冰箱、自動(dòng)洗衣機(jī)、數(shù)字點(diǎn)電視機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等廣泛應(yīng)用這種技術(shù)。

　　嵌入式系統(tǒng)是指將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)。它以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),而且軟硬件可以裁剪,因而是能滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化,可靠性高等特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成,嵌入式系統(tǒng)的硬件主要包括以下幾個(gè)模塊,嵌入式核心芯片(嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式片上系統(tǒng)) 、存儲(chǔ)器、I/O 端口等。而嵌入式系統(tǒng)軟件由嵌入式操作系統(tǒng)和相應(yīng)的各種應(yīng)用程序構(gòu)成。有時(shí)把這兩種結(jié)合起來,應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為,而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

　　嵌入式核心芯片的特點(diǎn)

　　嵌入式的關(guān)鍵部分還在于核心芯片的選擇,嵌入式核心芯片的特點(diǎn)有:

　　(1) 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu),以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。

　　(2) 嵌入式微處理器必須功耗很低。

　　(3) 對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力。

　　(4) 具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用,需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能,同時(shí)也有利于軟件診斷。

嵌入式技術(shù)在家庭智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　嵌入式技術(shù),在家庭智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,特別是DSP 的應(yīng)用和發(fā)展,使得系統(tǒng)的語音和圖像處理能力大大增強(qiáng),不僅可以最大限度地利用硬件投入,而且還避免了資源浪費(fèi)。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用,使得系統(tǒng)的架構(gòu)更加清晰簡(jiǎn)捷。系統(tǒng)的軟件采用分層設(shè)計(jì),不僅方便維護(hù),而且大大提高了代碼的利用率, 縮短了開發(fā)周期。此外,由于嵌入式技術(shù)是伴隨In2 性能,可以增加更多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。嵌入式Internet 的廣泛應(yīng)用必將使家居控制變得更加自動(dòng)化、智能化和人性化。

　　嵌入式技術(shù)是在Internet的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展的,因此它具有更加卓越的網(wǎng)絡(luò)在智能家居控制中,具有安全性和能快速地與外界進(jìn)行信息交換,這就要求計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等性能指標(biāo)要求比較高,而嵌入式系統(tǒng)一般情況下都是小型的專用系統(tǒng),這樣就使得嵌入式系統(tǒng)很難承受占有大量系統(tǒng)資源的服務(wù)。如何實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的Internet 接入、"瘦"Web 服務(wù)器技術(shù)以及嵌入式Internet 安全技術(shù), 是嵌入式系統(tǒng)Internet 技術(shù)的關(guān)鍵和核心。

　　主要可以對(duì)如下家居功能進(jìn)行控制

　　(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)防盜報(bào)警被觸發(fā)后,也可以通過Internet 遠(yuǎn)程監(jiān)控家中事態(tài)的進(jìn)展情況。

　　(2) 報(bào)警?？梢苑譃榉辣I報(bào)警、防災(zāi)報(bào)警等。

　　(3) 三表抄送功能。將帶電子采集器的煤氣表、電表、水表的信息發(fā)送到終端。

　　(4) 室內(nèi)環(huán)境控制。比如可以將燈光、DVD 等設(shè)備可以集中控制,通過電話、Internet 等遠(yuǎn)程控制家中的設(shè)備。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家中的音響、視頻及燈光的集中控制。

　　將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合起來的想法其實(shí)很早以前就有了,主要的困難在于,Internet上面的各種通信協(xié)議對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求比較高,而嵌入式系統(tǒng)中除部分32位處理器以外,大量存在的是8位和16位MCU,支持TCP/IP等Internet協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源,或根本不可能。文章將以嵌入式微控制器Internet技術(shù)(EMIT)及其在中國(guó)的技術(shù)開發(fā)中心BOL/TASKING公司的解決方案為基礎(chǔ),描述如何實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的Internet網(wǎng)絡(luò)化。

　　嵌入式技術(shù)的進(jìn)展

　　嵌入式技術(shù)之所以能夠快速發(fā)展,一個(gè)重要的原因就是嵌入式技術(shù)具有技術(shù)靈活性。無論是軟件嵌入還是硬件嵌入,采用嵌入式技術(shù)都可以把復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變?yōu)楠?dú)立模塊的設(shè)計(jì)。特別是隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的獨(dú)立系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展需要。例如,在現(xiàn)有通信系統(tǒng)中應(yīng)用多媒體通信技術(shù)時(shí),如果不采用嵌入式技術(shù),則需要對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行徹底更換。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,嵌入式技術(shù)正在變成最基本的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。特別是隨著SoC技術(shù)和集成電路設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為SoC器件設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)。同時(shí),也正因?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)的飛速發(fā)展,使得現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)面臨著各種不同的挑戰(zhàn)。

　　智能嵌入技術(shù)-發(fā)展趨勢(shì)

　　以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命；同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，特別是軟件技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。這主要包括：支持日趨增長(zhǎng)的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、輕便的移動(dòng)應(yīng)用和多媒體的信息處理，此外，當(dāng)然還需對(duì)付更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

　　1.嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)需要強(qiáng)大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持

　　隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網(wǎng)上提供的信息內(nèi)容日趨豐富、應(yīng)用項(xiàng)目多種多樣，像電話手機(jī)、電話座機(jī)及電冰箱、微波爐等嵌入式電子設(shè)備的功能不再單一，電氣結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力；同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

　　目前，國(guó)外商品化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產(chǎn)品。我國(guó)自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)DeltaSystem,它不僅包括DeltaCore嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),而且還包括LamdaTools交叉開發(fā)工具套件、測(cè)試工具、應(yīng)用組件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系統(tǒng)。

2.聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì)

　　為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對(duì)外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必需配有通信接口,相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)(如防盜報(bào)警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器的協(xié)調(diào)工作等要求，新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時(shí)也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應(yīng)的瀏覽器，如HTML、WML等。