嵌入式系统现状及展望楚红雨1 李磊民1 李驹光2（1 西南科技大学信控学院 四川绵阳 621010）（2 中国科学院自动化研究所 北京 100084）摘要：本文对嵌入式系统的概念、特点、分类及其工业特征进行了描述与分析,并就其面临的问题和发展趋势进行了探讨和展望。

关键词：嵌入式系统工业特点 面临问题 发展趋势The situation and prospects of embedded systemChu Hongyu Li Leimin Li Juguang (1 School of Information & Control, Southwest University of Science and Technology , Mianyang of Sichuan province 621010 ) (2 Institute of Automation ，Chinese Academy of Sciences ,Beijing,100084)Abstract: The article presents the concept 、 characteristics 、category and industrial characteristics of embedded system . It also discusses the facing problems and forecasts developing trend.Key Words: Industrial characteristics of embedded system ， facing Problem; Developing trend. 1嵌入式系统1.1 嵌入式系统的概念和特点嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，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［1］。

它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。

按以应用为中心的分类方法将计算机分为两类：嵌入式计算机和通用计算机。

通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，典型代表为PC ;而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。

与通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点：（1） 专用紧凑：由于嵌入式设备的用途固定、成本敏感，其软硬件够用即可。

因此，它在体积、功耗和配置等方面有明显的约束；（2） 实时响应：嵌入式系统是某种技术过程信号处理和控制的核心处理环节，必须满足技术过程的时限要求，一定要具有实时处理的特性；（3） 并发处理：在嵌入式系统的应用环境中，系统处理的事件往往是多个，而且可能同时发生，所以嵌入式系统一般具有并发特点；（4） 稳定可靠：嵌入式系统产品使用环境不定，使用条件往往恶劣，故其稳定性和可靠性是系统的必须具备的条件；（5） 技术密集：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、不断创新的知识集成系统；（6） 开发困难：嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也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,它的开发依赖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。

（7） 形式多样：嵌入式系统应用于国民经济各个领域，造成其品种繁多，形式多样。

1.2 嵌入式系统的分类目前嵌入式系统除了部分32位和64位处理器外，大量使用的是8位和16位的单片机，因为嵌入式系统的大量的应用集中在中、低端产品上，高端产品应用的系统对芯片数量需求相对少一些。

但随着集成电路技术的进步，32位处理器的性价比越来越具有比较高的性价比的优势，如目前大量用于手持设备和移动计算的ARM 微处理器就是其杰出的代表。

_______________________________________________________________________________目前存在两种分类方法，一种是根据嵌入式计算机的结构形态，将嵌入式计算机分为三种［8］：1、芯片级嵌入式计算机即微控制器，俗称单片机，如MCS-51、AVR和StrongARM RISC嵌入式机等。

2、模板机嵌入式计算机用8位16位32位微处理器组成的单板机，如基于各种总线的IntelX86、Motorola 68K CPU板级产品。

3、系统级嵌入式计算机工业PC机与PC兼容的嵌入式PC，国内外广泛应用的工业控制用PC兼容机产品。

二是根据其发展现状，嵌入式处理器可以分成下面几类［7］:图1嵌入式系统的分类1、嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）：嵌入式微处理器在功能上与标准的微处理器基本一样，但为了实际应用需要，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。

目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、Power PC、68000、MIPS、ARM/Strong-Arm等。

2、嵌入式微控制器（Micro controller Unit, MCU）：又称单片机,芯片内部集成了ROM、RAM、总线、定时器/计数器、A/D、D/A等各种必要功能和外设。

与嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点就是单片化，体积大大减少，使得成本和功耗下降，而可靠性、技术保密性获得提高。

比较有代表性的如MCS-51、P51XA、68K系列和AVR系列等［3］。

3、嵌入式DSP（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）： DSP是专门用于数字信号处理方面的处理器，由于DSP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。

嵌入式DSP比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。

DSP应用也正从在通用单片机中以普通指令实现DSP 功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。

4、嵌入式片上系统（System On Chip）：由于集成电路设计和工艺技术水平的提高，目前已经可以将原先由许多IC组成的电子系统集成在一个单片上，构成所谓系统芯片(System On Chip，简称SOC)。

系统芯片与集成电路(IC)相比，不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输出等完整的系统集成在一起，成为一个有专用目的的电子系统单片。

SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合，在一个或若干个单片上完成整个系统的功能,这样，应用系统电路板变得非常简洁，体积大大减小，功耗大大降低，而同时性能和可靠性得到很大提高。

比较典型的SOC 产品是Philips的Smart XA。

2 嵌入式系统工业的特点及其面临的问题2.1 嵌入式系统工业特点1、嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业当代的通用计算机工业的基础被认为是由Wintel(Microsoft和Intel90年代初建立的联盟)垄断的工业。

而嵌入式系统工业则不同，由于它是与各行各业相结合的产物，导致它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。

即便在体系结构上存在着主流,但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。

因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。

嵌入式系统市场之所以迅速发展，与嵌入式功业的这个特点是有很大关系的，高度分散、不可垄断导致激烈的竞争，激烈竞争导致产品的不断推陈出新，同时，社会的各个领域也是在不断向前发展的，这些构成了嵌入式工业发展的强大动力［6］。

2、嵌入式系统具有的产品特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。

和通用计算机不同，嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。

由于嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，所以嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期［1、6］。

3、嵌入式软件特征由于嵌入式系统是实时系统，其软件首先要满足高实时性的要求；其次，由于嵌入式系统往往出于某一技术过程的核心环节，健壮可靠是其基本要求；再次，由于系统处理的事件往往不是单一的，要求其系统软件能对多任务进行合理调度；最后，嵌入式系统一般是软硬件合一的系统，软件要求存储于存储器芯片或单片机本身中，由于系统的存储空间是比较宝贵的，要求软件代码简洁高效，同时，这也是为了提高执行速度和系统的可靠性。

4、嵌入式系统开发采用独特的宿主机—目标机模式通用计算机增加一些相应的程序和环境即可对自身进行开发，而嵌入式计算机本身不具有自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，并且在这个环境下调试好目标机的硬件和软件，才能使目标机（最终的嵌入式系统）脱离开发环境独立运行。

下图为目前嵌入式系统开发中比较典型的开发环境。

图2 嵌入式系统开发环境5、嵌入式系统开发人员以应用专家为主通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,因此要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。

所以其开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求［6］。

2.2面临的问题嵌入式系统工业正如火如荼的发展，目前随着研究和应用的进一步深入，它面临以下几个主要的问题：1、功耗和散热的问题随着半导体工艺的迅速发展，集成电路的集成度进一步得到很大提高；另一方面，随着社会的高速发展，人们的嵌入式系统也提出了越来越高的要求，这两方面使得嵌入式微处理器的性能不断提高（目前嵌入式系统正由向SOC发展的趋势）随之而来的就是嵌入式系统单位面积功耗加大，尤其在对微处理器有较高要求的场合，若散热问题解决得不好，将极大的限制嵌入式系统的发展。

在普通的嵌入式系统设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。