1.9 嵌入式系统的发展现状及趋势

1.发展现状

嵌入式计算机系统的出现是现代计算机技术发展的重大事件。20世纪90年代嵌入式系统得到了飞速发展，其标志是以SoC为目标的各种嵌入式处理器体系结构以及与之相应的开发平台和形式多样的嵌入式操作系统的出现。如果把嵌入式计算机系统技术的发展按计算机系统的高端、低端加以区分，那么嵌入式系统应用研究的高端主要在计算机专业领域，依靠嵌入式计算机系统OEM（原始设备制造商）方式的硬件环境、嵌入式操作系统的支持以及较成熟的开发平台，实施计算机专业的工程设计方法来完成嵌入式系统的应用开发。嵌入式系统低端则以对象领域为中心，以单片机为核心，在相对简陋的开发环境下，实现嵌入式应用系统软硬件的应用开发。嵌入式系统应用环境和形态的多样性决定了嵌入式系统应用具有不同的模式。随着32位处理器的不断成熟，两者的融合在不断加深。另外，以SoC为目标的微电子设计逐渐贴近产品系统的应用设计。

嵌入式系统行业是不可垄断的高度分散的行业，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，即使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由少数公司、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。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件产品开发。

嵌入式系统是和具体应用有机地结合在一起的，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体可以随意更换，所以嵌入式系统应用软件的生命周期和嵌入式产品的生命周期一样长。另外，各个行业的应用系统和产品与通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。

计算机应用的普及、Internet技术的实用以及纳米微电子技术的突破，正有力推动着21世纪工业生产、商业活动、科学实验和家庭生活等领域的自动化和信息化进程。全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居，为嵌入式产品造就了崭新而巨大的商机。除了沟通信息高速公路的交换机、路由器和Modem外，还有构建CIMS（Computer Integrated Manufacture System，计算机集成制造系统）所需的DCS（Distributed Control System，集散控制系统）和机器人以及规模较大的家用汽车电子系统等。最有产量效益和时代特征的嵌入式产品是Internet上的信息家电，如Web可视电话、Web游戏机、Web PDA（俗称为掌上电脑、商务通）、智能手机，以及多媒体产品，如STB（电视机顶盒）、DVD播放机、电子阅读机等。

2.发展趋势

后PC时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代，嵌入式系统就是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近了人与计算机的距离，形成了一个人机和谐的工作与生活环境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前景，涉及人类生活的诸多方面，如数字通信、信息家电、航空航天、工业过程控制及军事电子等。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具有广泛的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等；此外还有在多媒体手机、袖珍电脑（如图1-20所示）、掌上电脑、车载导航器（如图1-21所示）等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。它在娱乐、军事方面的应用潜力也是巨大的，如图1-22所示。

伴随着硬件技术的日益成熟以及软件在该类系统中的广泛应用，软件已逐步取代硬件成为系统的主要组成部分，原先采用硬件实现的许多功能现已由软件实现，使得系统的实现更加灵活，适应性和可扩展性更加突出，如通信领域中提出的“软件无线电”、测试领域中提出的“软件就是仪器”都是这种思想的体现。面对嵌入式软件的迫切需求，提高嵌入式软件的开发效率和开发质量，推动国产嵌入式软件产业化具有重要的意义，因此嵌入式开发的研究成为必要。嵌入式系统将成为IT界的又一个焦点，开发中国自主产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，对于我们国家的民族IT产业来讲，将具有十分重要的战略意义。我们应该抓住机遇，组织力量，重点出击，取得主动权。从目前国内IT市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和Internet衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。因此，嵌入式系统的市场争夺战是后PC时代IT市场的关键之战。嵌入式CPU是嵌入式系统的核心，拥有自己的嵌入式CPU和支撑硬件是发展自主产权嵌入式系统的前提条件和基础。操作系统是软件产业的基础和龙头，它能左右软件产业发展的方向，是世界软件产业最大的利润来源。

研制自主版权的嵌入式操作系统意义重大，它可以摆脱PC时代我们被发达国家牵着鼻子走的局势，可以摆脱Wintel（即Windows&Intel，意指微机的体系结构由MS-Windows操作系统和Intel的CPU组成）的束缚，使中国的IT行业真正走向成熟和自立。对于嵌入式操作系统应尽早抓标准，既可防止不合国情的国外产品成为事实标准，也可防止出现无序竞争。另一方面，嵌入式系统的硬件技术已经成熟，只要引进先进技术，根据专业性的特征加以吸收和同化，就可以形成自己的嵌入式系统硬件生产体系。此外，可以将嵌入式系统设计和开发列入产业发展计划，重点支持软件和芯片设计发展；在政府有关部门的支持下，建立嵌入式硬件和软件开发基地，创造良好的开发环境，集中优秀人才和先进技术。同时国内的软件开发商、硬件制造商、信息服务商、信息运营商应该结成联盟，形成产业链，产生总体优势，形成我们自己的竞争优势。

近年来嵌入式技术发展迅速，对此我们总结了几个大致趋势：① 嵌入式进行网络互连是必然趋势。2009年原IBM全球副总裁王阳博士提出了智慧地球的概念，把我们的科技生活带入了一个新时代。其中重要的一点就是建立一个实现物物连接的智能网络，实现各种嵌入式设备的互连。② 实现指令级的并行计算，即单个时钟周期内实现多个数据的运算操作，单指令多数据流体系结构。③ 微处理器向多核技术发展。现在嵌入式设备的处理数据越来越多，集成度也越来越高，在同一芯片里集成多个处理器内核的技术应运而生。

3.影响未来的若干软件新技术

如前文所述，嵌入式系统设计师们已利用现行嵌入式软件技术和PC积累技术迎接新一代嵌入式应用；同时，发展影响深远的若干新的软件技术。这些技术包括：行业性编程接口API规范，无线网络操作系统、IP构件库和嵌入式Java等。

（1）日趋流行的行业性开放系统和备受青睐的自由软件技术

为了应对日趋激烈的国际市场竞争势态，设计技术共享和软件复用、构件兼容、维护方便以及合作生产是增强行业性产品竞争能力的有效手段。近几年，一些地区和国家的若干行业协会纷纷制定嵌入式产品标准，特别是软件编程接口API规范。例如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口（OSEK的名称来自于德文“车内电子设备的开放系统的接口”）。OSEK规定了汽车控制器的通信规程、网络管理规则以及高效利用存储器的嵌入式操作系统。虽然业界专家怀疑OSEK标准是否能马上投入使用，而WindRiver等嵌入式软件公司已宣布推出兼容的操作系统MotoWorks，充分利用行业软件技术开放带来的大笔商业利益。我国数字产业联盟也在制定本行业的开放式软件标准，提高中国数字产品的竞争能力。走行业开放系统道路将是加快嵌入式软件技术发展的捷径之一。

此外，值得指出，随着国际上自由软件运动的顺利发展，GPL概念正对嵌入式软件产业产生深远的影响。嵌入式Linux多种原型的提出和GNU软件开发工具软件的实用化进展，正为我国加快发展嵌入式软件技术提供了极好的机遇和条件。

（2）无线网络操作系统初见端倪

3G/4G移动通信的蓬勃发展使得移动通信网络不仅能够提供丰富的多媒体数据业务，而且能够支持更多功能和更强的移动终端设备。为了有效地发挥第三代移动通信系统的优势，许多设备厂商针对未来移动设备的特点努力开发无线网络操作系统。EPOC就是一例。

WindRiver公司在2010年的嵌入式系统大会上提出了一个面向通信系统集成软件开发环境，在这个网络加速平台中集成了多重操作系统和工具和一系列高水平的算法。可以减化应用复杂多核处理器实现宽带接入时发送软件的任务。

（3）IP构件库技术正在造就一个新兴的软件行业

嵌入式系统实现的最高形式是单一芯片系统（System on Chip，SoC），而SoC的核心技术是IP核（Intellectual Property Kernels，知识产权核）构件。IP核有硬件核、软件核和固件核，硬件核主要指8/16/32/64位MPU核或DSP核。硬件提供商以数据软件库的形式，将其久经验证的处理器逻辑和芯片版图数据，供EDA工具调用在芯片上直接配置MPU/DSP功能单元；而软件核则是软件提供商将SoC所需的RTOS内核软件或其他功能软件，如通信协议软件、FAX功能软件等构件标准API方式和IP核构件形式供IDE及EDA工具调用制成Flash或ROM可执行代码单元，加速SoC嵌入式系统定制或开发。目前一些嵌入式软件供应商纷纷把成熟的RTOS内核和功能扩展件以软件IP核构件形式出售，如Microtec的VRTXoc for ARM就是典型例子。正在兴启的IP构件软件技术正为一大批小型软件公司提供发展机遇。

（4）J2ME技术将对嵌入式软件的发展产生深远影响

众所周知“一次编程，到处使用”的Java软件概念原本就是针对网上嵌入式小设备提出的。几经周折，目前SUN公司已推出了J2ME（Java 2 Platform Micro Edition）针对信息家电的Java版本，其技术日趋成熟，开始投入使用。SUN公司Java虚拟机（JVM）技术的有序开放，使得Java软件真正实现跨平台运行，即Java应用小程序能够在带有JVM的任何硬软件系统上执行。这对实现瘦身上网的信息家电等网络设备十分有利。这一技术动向势必对嵌入式设备特别是上网设备软件编程技术产生重大影响，更值得业界人士关注。