兰州大学信息科学与工程学院 电路系统研究所 嵌入式系统 的现状及发展前景 马义德 兰州大学信息科学与工程学院 电路系统研究所

一、嵌入式系统的含义及分类 含意：用来控制处理外部世界各种中断信号的计算机系统，主要有：嵌入式微控制器MCU，专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列、数字信号处理器DSP等。 组成：由硬件和软件两部分组成。 简单的嵌入式系统由微控制器或嵌入式微控制器及嵌入式软件等组成。 较复杂的嵌入式系统由微处理器、实时操作系统、嵌入式软件等组成。 嵌入式系统通常作为一个控制系统嵌入在一个比较大的系统中。

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。 目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系占有多半。有350多个衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2000 MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。

嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 是先进的计算机技术、半导体技术和电子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、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。 一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌入式微处理器（如：键盘、Modem、打印机、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。 在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

目前嵌入式系统除了部分为32位处理器外，大量存在的是8位和16位的嵌入式微控制器（MCU）。嵌入式系统是计算机应用的另一种形态，正如前所述它与通用计算机应用不同：嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。

嵌入式系统是计算机高度专用化设计的产物，其软件、硬件与具体应用有机地结合在一起，升级换代一般也与具体产品同步进行，因此嵌入式产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件是固化在半导体存储器中的高度专业化的，这样修改嵌入式系统的软件必须由专业人员具备相应的开发系统和专用工具来进行。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。

1.嵌入式微处理器(EMPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。

嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。 2.嵌入式微控制器(MCU) 嵌入式微控制器又称单片机（Intel最早将自己生产的单片机命名为嵌入式微控制器），就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。

嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、E2PROM等各种必要功能和外设。

和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，占整个嵌入式市场份额的70%。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

专用系列：支持I2C、CAN-Bus、LCD的MCU及兼容系列。 嵌入式微控制器有代表性 通用系列:8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。半通用系列：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541； 专用系列：支持I2C、CAN-Bus、LCD的MCU及兼容系列。

值得注意是 AMD公司将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称为Microcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。 TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP做为MCU进行推广。

3.嵌入式DSP处理器(Embedded DSP) DSP处理器采用哈佛结构，适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正在从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。

嵌入式DSP处理器两个发展来源 一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴； 二是在通用单片机或嵌入式片上系统(System On Chip) SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。

嵌入式系统的智能化是推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素，如：各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。

嵌入式DSP处理器有代表性的是：TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。 TMS320系列包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。 而DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列。

另外PHILIPS公司也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术而制造的R. E. A 另外PHILIPS公司也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术而制造的R.E.A.L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。

4.嵌入式片上系统(System On Chip) 随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件。

用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分为通用和专用两类。 通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和

支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。

鉴于嵌入式系统的巨大市场潜力和发展现状，中国计算机学会(China Computer Federation)于1999年6月8日举行了“嵌入式系统及产业化在中国的发展前景”研讨会，指出了嵌入式系统在当今计算机工业及网络化中的地位，认为下一代网络设备中嵌入式设备将大大增加，70％是嵌入式设备，

只有30％是传统桌面PC；畅谈了关于电视机顶视盒上网的看法、以及信息家用电器的前景；探索了个人计算机的下一步发展方向，并于2000年10月8日举行2000年中国微计算机年会，会议主题再次定为：嵌入式系统在中国的产业发展方向，主要探讨嵌入式产业在我国的发展和其在网络、通信、商业、民用及工农业生产中的应用。

今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，在嵌入式系统中占市场份额最大的是嵌入式微控制器（MCU），它占整个嵌入式系统约70％的市场份额。

1997年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。

1998年11月在美国加州圣.何塞举行的嵌入式系统大会上，基于实时操作系统RTOS平台的嵌入式INTERNET(Embedded Internet)成为一个技术新热点。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言,4-5年后嵌入式智能(电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。

我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士1998年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。

二、嵌入式系统工业的特点和开发前景 1.嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。是由 Wintel (Microsoft和Intel 20世纪90年代初建立的联盟)垄断的工业。而嵌入式系统工业充满了竞争、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。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。器件是嵌入式系统产业的根本，嵌入式系统工业的基础就是以应用为中心的“芯片”设计技术和面向应用的软件产品开发技术。

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。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，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。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。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时还受用户订货量的制约，因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户，行业用户或单一用户。

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，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，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，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。

另外，各个行业的应用系统和产品和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。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在810年的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。

3.嵌入式系统软件的特征 (1)软件要求固态化存储 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 (1)软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。

(2）软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。

(3)系统软件(OS)的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。

4.嵌入式系统开发需要开发工具和环境 (4)多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 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,，这些工具和环境一般是基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。

5．嵌入式系统软件需要RTOS开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统（OS）平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

6．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，而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，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。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。

三、嵌入式系统的应用前景 嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。按应用范围可分为：

1.工业应用方面 包括机电控制、工业机器人、过程控制、DDC控制、DCS控制、智能传感器以及传统工业改造等，显然，在工业控制中嵌入式微控制器直接位于控制第一线，是工业自动化的关键部件之一。

2.仪器仪表方面 有智能仪器、智能仪表、医疗器械、色谱仪、示波器等。 3.民用方面 如电子玩具、电子字典、记事薄、游戏机、录像机、TV、VCD、DVD、复读机、照相机、投影仪、空调机、冰箱、洗衣机、防盗控制器、调制解调器、激光驱动器、红外驱动器、汽车点火控制器、变速器控制、防

滑刹车、排气控制、避雷控制、节能控制、保安控制系统、农业节水控制系统等等。 4.电讯方面 智能线路运行控制等

5.导航控制方面 6.数据处理方面 7.通信及网络方面 导弹控制、鱼雷制导、航天导航系统、电子干扰系统等。 图表终端、图文终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、等等。 7.通信及网络方面 移动电脑、移动电话、电视机顶盒等容易上网，进行信息交流和邮件传送等服务。

8.农业、交通等方面 智能公路（导航、流量控制、信息监测与汽车服务）、植物工厂（特种植物工厂、无土栽培技术、智能种子工程）、虚拟现实VR机器人、信息家电（家用电器的网络化）等等。 嵌入式微控制器的出现是计算机工程应用史上的一个里程碑，

结束了计算机专业人员垄断计算机应用的时代；计算机在工程中的应用技术开始为非计算机专业的广大工程技术人员敞开大门； 嵌入式微控制器软、硬件的开发、应用已成为计算机工程应用中的一个重要领域，特别是工业测、控系统不再是通用计算机系统和通用微处理器系统一统天下的局面；嵌入式微控制器已成为高科技领域中的有力工具。

目前中、高档8位嵌入式微控制器，16位、32位嵌入式微控制器，以及一些专用嵌入式微控制器（如数字信号处理、数字图像处理、通信控制单片机等）已在通信系统、INTERNET网络系统、非嵌入式计算机系统、工业测、控系统，机器人感知系统、行走系统，分布式测控系统，快速多机实时处理系统和图像系统中成为不可缺少的重要组成部分。

中国的单片机（嵌入式微控制器）应用和整个嵌入式系统开发走过了15年的历程，有超过10万名从事嵌入式微控制器开发应用的工程师，但95%以上是35个人的小组以孤军奋战的封闭方式开发几乎不可重用的软件，特别在我国单片机行业中，风行的是随意性的、个体的、自然经济的落后方式，即使是有较多产品开发人员的公司，在嵌入式微控制器产品开发中仍在实施“板凳模式”的产品开发方法，大量低水平的重复劳动形成顽症。

为此采用嵌入式平台(RTOS)开发模式，施行“阶梯模式”可从根本上解决“板凳模式”的弊端，因此嵌入式微控制器平台方式开发是现代电子产品在现代化大生产方式下，产品开发唯一的正确模式也是集团产业产品开发的唯一模式。

今天面对嵌入式系统工业化的潮流，如果我们不能认清嵌入式软件必须以工业化的方式生产开发，不理解在短时间内装配集成“数百人年”嵌入式产品软件库固化于芯片之中的方法，那么我们将失去更多“上游”产品的市场机遇；反之在我国大力推动和建设“嵌入式软件工厂”，使我国的嵌入式软件库(零件)产品化并溶入国际市场，对加速知识创新和建立面向21世纪的知识经济具有战略意义。

“越简单越是高科技”，嵌入式系统发展目标是专用电脑，实现“普遍化计算”，因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。沈绪榜院士预言，“未来十年将会产生针头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”，将为我们提供无限的创造空间。总之嵌入式微控制器或者说单片机好象是一个黑洞，会把当今很多技术和成果吸引进来。中国应当注意发展智力密集型产业”。

感谢各位同行、 各位老师！ 2004年8月18日