浅述嵌入式系统的应用研究进展

摘 要

嵌入式系统，因其具有内核小、专用性强、系统精简、高适时性以及高运行可靠性等特性，已成为信息应用领域的热点研究方向。本文主要就嵌入式系统的基本框架、发展历程、以及当前的应用研究进展进行了简要论述，并对嵌入式系统的发展趋势进行了展望。

【关键词】嵌入式系统 基本框架 发展历程 进展

嵌入式系统是一种用于控制、辅助或监视各种仪器、装置正常运行的特定计算机系统。其具有内核小、专用性强、系统精简、高适时性以及高运行可靠性等特征，广泛用于工业控制、交通管理、智能设备、信息家电、消费电子、电子商务等各行各业中。本文主要就嵌入式系统的基本框架、发展历程、以及当前应用进展做一简要概述。

1 嵌入式系统基本结构

嵌入式系统一般是由内置系统和外部执行装置通过软硬件相结合的方式组成，其中内置计算机系统是核心要素，可比喻为“大脑”；而外部执行装置则是“四肢”，通过接收内置系统指令，完成特定任务。嵌入式系统通常包括：微处理器、硬件、操作系统以及应用软件。

1.1 微处理器

微处理器是整个嵌入式系统的核心要素，具有微型化、运行高效率、高可靠性和高度专一性的特点。目前，嵌入式微处理器依据使用目的不同，存在多达1000种的体系，且同一体系由于频率、数据宽度、外部连接设备和接口差异也存在不同，其主流体系有ARM、SH、MIPS、X86、PowerPC等。但是，与常规计算机CPU不同的是，嵌入式微处理器市场不存在某种主导产品。

1.2 硬件

硬件包括存储器、设备通信接口、以及显示部件。其中，存储器是最核心的部件，可被直接访问，主要用来存放系统程序和执行代码，通常由主存、缓存和辅助存储设备构成。设备通信接口是实现嵌入式系统与外部设备连接的纽带。显示部件主要是用来实现人机交互，依据不同的应用目的和应用场合，主要有液晶显示屏、触摸屏、各种射线管等。

1.3 操作系统

随着不同外部设备，尤其是信息家电和电子商务的快速发展，对嵌入式系统也提出了更高的要求，其中嵌入式操作系统也向专业化和功能化方向发展。相对于常规PC操作系统，嵌入式操作系统不仅具有如任务协调、文件处理、数据同步等功能，同时还具备可装卸、实时、操作简易、界面友好、且支持网络连接等特点。

1.4 应用软件

应用软件层介于硬件和操作系统之间，可基于硬件平台针对不同用户的具体应用需求，实现其预期目标。从软件稳定性、复用性、以及开发的可控性方面考虑，应用软件可分为文件系统、网络系统、用户图形接口以及通用组件。

2 嵌入式系统发展历程

第一阶段是七十年代出现的以单芯片为核心的单片机系统，这类系统主要应用于汽车、工业制造设备等控制系统中，基本没有操作系统支持，也只能执行某些单线程程序，但已基本具备 “嵌入式系统”的应用特征。

第二阶段始于八十年代中期，基于嵌入式CPU开发简易操作系统，此时嵌入式系统的概念基本形成，可实现任务管理、通讯、数据同步等功能。

第三阶段始于九十年代，随着各种应用需求对软件实时性要求的提高，并以互联网的快速发展为契机，嵌入式系统进入到一个快速发展阶段。

随着当前互联网的飞速发展，以及互联网技术与电子商务、信息家电、数字媒体、工业控制等领域的结合日趋密切，互联网与嵌入式设备的相互影响、相互支持、相互结合将是嵌入式系统发展趋势。

3 嵌入式系统应用进展

3.1 工业控制

基于嵌入式系统的工业自动化控制和监测设备正迎来一个快速发展的时期，当前已有各种系列的嵌入式微处理器应用于诸如自动化机床、石化系统、水利水电系统等领域，其网络化和智能化为企业降低能耗、提高生产效率、增强产品质量、缩减人力资本等起到关键作用。当前传统工业控制设备，仍主要使用8位的低端型单片机，但随着生产技术的发展和生产设备的更新换代，32位和64位嵌入式系统将逐渐成为工业控制主流系统。

3.2 交通管理

在车船导航、车速限制、车流控制、违章监测、汽车检修等诸多交通管理方面，嵌入式系统也发挥着越来越重要的作用。各种内置GSM组件的移动导航终端已在各种交通运输领域获得了广泛应用。当前，GPS终端设备已成为普通电子商品，各种移动终端如智能手机、平板电脑都已配备GPS模块，可根据需求随时进行目标定位。

3.3 家用智能设备

传统的水、电和天然气表的抄录、故障检测等主要依赖于人工服务，随着嵌入式系统微型化、功能化发展，已大量应用于诸如水、电和天然气表等家用设备中，实现了远程自动抄表和故障监测。安全防火防盗，以及自动控温控湿设备也已完成了嵌入式系统的整合。在家庭服务领域，如远程点餐、远程订票、预约排队等均展现出了嵌入式系统强大的应用潜力和迅猛的发展态势。

3.4 信息家电

彩电、冰箱、洗衣机、空调、橱柜等家电产品在嵌入式系统辅助下正从传统模式向人性化、智能化、网络化快速发展，给人们的生活提供了无限方便。通过嵌入式系统可实现对智能家居的网络化远程操控。

3.5 消费电子

嵌入式系统具备移动数据管理和通讯等功能，同时可提供便携式的人机交互界面，因此大量的嵌入式微处理器应用于消费电子领域，这也是仅次于信息家电的另一个消费市场。较早期的机顶盒，实现了从有线闭路电视到数字电视的转变，当前的电视盒子，则实现了从单向音视频传输到人机交互的转变。PC手写输入、语音拨号到触屏操作、人脸和指纹识别，这些都显示着嵌入式系统的功能作用。智能手机、手表、平板电脑也已成为个人日常工作和生活的智能平台。

3.6 电子商务

各种配备嵌入式系统的公共交通智能系统、公共电话卡系统、自动柜员机、自动缴费机、POS刷卡机、自动售/取票机等智能终端已全面实现，正在极大的改变着人们的生活习惯。

4 结束语

随着人们对嵌入式应用技术和产品需求的不断增长，以及外围设备和技术的断发展，嵌入式系统研究正表现出下述几大趋势：（1）开发工具日新月异；（2）无线互联网将增强嵌入式系统的智能性；（3）微型化、微能耗、低成本将提升嵌入式产品竞争力；（4）高度人性化和智能化是嵌入式系统的最高境界。一个全方位、立体化的嵌入式系统应用即将来临。

作者单位

广西质量技术工程学校 广西壮族自治区南宁市 530022