linux嵌入式系统的机遇和挑战分析|linux嵌入式系统的战略目标

·我国EIP产业发展状况

嵌入式智能平台属当前国家重点扶持的信息产业。近几年国务院和相关部委陆续颁布了一些对推动EIP行业发展有影响的重要政策文件，包括：《信息产业"十五" 计划纲要》、《当前国家重点鼓励发展的产业，产品和技术目录》、《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》、《计算机与网络产品"十、五"专项规划》和《仪器仪表行业"十、五"规划》等。

同时，国家将运用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业，包括以电子信息技术应用为重点，提高传统产业生产过程自动化，控制智能化和管理信息化水平；以先进制造技术应用为重点，推进制造业领域的优质高效生产，振兴装备制造业；改造提升重点产业的关键技术、共性技术和相关配套技术水平、工艺和装备水平。这些都对促进EIP行业及市场发展具有积极的意义。随着计算与通信的融合、计算的无处不在和多媒体信息随手可得的世界信息化发展大趋势的日益明朗，嵌入式系统得到了前所未有的蓬勃发展。

近几年来，嵌入式系统和嵌入式技术的国际会议、国内会议、学术论坛或半导体厂商的展销活动逐年增多。微软、Intel、TI、IBM、SUN等信息产业的知名厂商都针对新兴的嵌入式系统市场投入巨资进行研究与开发，推动着嵌入式应用的发展。

如何顺应潮流，如何使嵌入式系统为多媒体信息随手可得的目标、为我国传统产业的技术改造做出更大贡献？关键是要开拓创新思路、挖掘潜在市场、掌握嵌入式系统设计的技术和方法，提高嵌入式系统的开发效率和质量，缩短产品进入市场的周期，推动我国嵌入式系统产业的发展。

结合目前我们正在进行的机载与星载的合成孔径雷达实时成像处理系统的研究与开发工作，本文就嵌入式系统设计、开发的有关问题进行综述与大家共享。

1.1　什么是嵌入式系统

嵌入式计算机系统就是将用户所需的功能嵌入到产品、装置或大型系统中的计算机系统，通常称为嵌入式系统。嵌入式系统的数量远远大于PC, 据世界半导体贸易统计协会(WSTS)统计，2001年PC处理器只占世界处理器市场总数的6%，而嵌入式微处理器则占94%。所以世界上占大多数的计算机不是PC而是不带键盘、鼠标和显示器的嵌入式系统，是一些隐藏在各类产品中的计算部件或很小的芯片。

1.1.1　嵌入式计算机和通用计算机

由于实际情况的变化，沿袭多年按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域等属性将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工的分类方法，已经不再适用。在日新月异的计算机工业中，在计算机技术和产品对其它行业进行全面渗透的大趋势下，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际。于是，有人按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将计算机分为嵌入式计算机和通用计算机。

1.2　嵌入式计算机的演变

嵌入式计算机经历了从单片计算机、工业控制计算机、集中分布式控制系统，进而发展到嵌入式智能平台的几个发展阶段。从独立单机使用发展到联网设备。从以模拟电路为主发展到以数字电路为主、数模混合型，进而进入全数字时代。

1.3　嵌入式系统发展趋势

总的来说，嵌入式系统向着更高性能、更小体积、更低功耗、更廉价、无处不在的方向发展。嵌入式系统的设计和实现朝着基于芯片，特别是系统级可编程芯片（SoPC）的方向发展。为了降低研制难度，常采用融微处理器技术、数字信号处理技术、可编程系统级芯片设计和软硬件协同设计技术于一体的基于嵌入式智能平台的嵌入式系统的设计方法。这样可以提高嵌入式系统的开发效率和质量，缩短产品进入市场的周期。

总之，嵌入式系统覆盖的范围十分宽广，计算所正在研制的机载和星载合成孔径雷达实时成像处理系统对体积、重量、功耗有严格要求。它的处理速度要求达到几百亿次到上千亿次，星载系统尚需满足抗辐照等航天环境的要求。为了满足应用的苛刻要求，我们采取的方案之一便是基于百万至千万门数量级的SoPC（系统级可编程芯片）来设计我们的系统。这是高端嵌入式系统的典型例子。家电设备的智能遥控器，一般只需一个低档的8位单片机就可实现，是一种低端的嵌入式设备的例子。

2　嵌入式系统的机遇和挑战

2.1　嵌入式系统的战略目标

在计算机技术和产品对其它行业进行全面渗透的大趋势下，嵌入式系统作为IT产业新崛起的一个崭新分支，正在全球范围内迅猛发展。它的出现是微处理器技术、超大规模集成电路VLSI技术、网络通信技术、嵌入式软件技术相结合的产物。嵌入式系统把全球最新科技产业成果带入社会生产生活的各个领域，为各行业产品提供具有行业个性化特点的智能平台，为高科技在生活中的实用化建起了"应用"的桥梁。 作者认为，嵌入式系统的战略目标是要实现多媒体信息随手可得。

2.2嵌入式系统市场机遇

嵌入式计算机系统行业近年来发展迅猛。根据美国嵌入式计算机知名厂商Win System在RTC专业杂志上的预估，在未来10年内嵌入式计算机系统市场将有10倍于台式计算机的市场机会。

据IDC预测，嵌入式智能平台年增长率将达15%，1998年嵌入式智能平台市场的规模是126.5亿美元，2000年市场规模是250亿美元，2001年增加到311亿美元。

嵌入式系统市场机遇，其无处不在的应用前景和良好的发展趋势已引起了全球IT业众多厂商及广大消费者的关注。Intel公司将嵌入式芯片列入了它的主要产品系列，TI公司以2.5代及第3代手机为应用目标推出了开放式多媒体应用平台( OMAP )，微软公司推出了WinCE和.net战略。各大厂商的介入加剧了嵌入式系统领域的竞争。　同时，一些厂商还与高等院校和科研机构结成了合作联盟。例如，今年6月27日，在微软总部召开的Windows 嵌入式系统高校及科研机构开发人员大会上，来自25个国家及地区包括北京大学和台湾清华大学在内的77所大学获得了Windows 嵌入式系统创新优异奖。该奖项是由微软研究院大学关系部和微软 Windows 嵌入式系统高校合作计划（Windows Embedded Academic Program - WEMAP）共同颁发的。通过WEMAP计划，世界各地高校的教学和科研人员可以免费访问Windows 嵌入式系统的源代码、获得开发工具及对项目开发的支持。微软还通过举办Windows 嵌入式系统高校及科研机构开发人员大会，使学术界人士可以更方便、迅速地了解Windows嵌入式系统家族 -- 包括Windows CE、.NET及Windows XP嵌入式系统的更多技术细节。来自世界各地80多个大学的教授和博士生参加了本次大会。微软亚洲研究院院长张亚勤强调：“随着越来越多的智能设备进入我们的生活，嵌入式系统的发展速度随之继续加快，预计未来五年内其需求将达到一个高峰期。这无疑是中国软件产业发展的重要机遇之一。我们将继续深入与国内各高校及科研机构在嵌入式系统教学及研究方面的合作与交流，从而进一步提高基于Windows CE 和.NET的开发及应用水平。”

2.3　嵌入式系统面临的挑战

嵌入式系统实际上是以专用的计算机为核心的专用系统。其特点是面向用户、面向应用、面向产品，软、硬件量体裁衣，满足行业应用个性化的要求。为此，需要针对专门的应用领域，进行优化设计来满足特定行业对高性能、低成本、低功耗的特殊要求。

嵌入式应用的瓶颈在于人们的想象能力和嵌入式系统的设计开发能力。嵌入式系统的设计要求设计人员必须精通、熟悉应用系统，对应用需求有深入的分析和理解，所设计的产品必须满足环境、性能、成本的苛刻要求。同时，要有优于竞争对手的新颖特点和短的进入市场的时间，以保证从激烈的市场竞争中胜出。

3　嵌入式系统应用举例

嵌入式系统由于自身特点一旦进入各行业的市场，会具有较长的生命周期。嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机。嵌入式系统目前已广泛应用于通讯、网络、金融、航天、航空、消费电子、军事装备、仪器仪表、制造业控制等领域，有人将其应用按行业归纳如下：

行 业　　　　　　　　　　　应 用 项 目

金融、商业　　　　　　　ATM机、银行自助查询终端、POS机等

通讯、网络：　　　　　　防火墙、VPN、VoIP、程控交换机、GPS等

航天、航空：　　　　　　宇航控制器、火箭制导、雷达成像器、载人飞船模拟试验

消费电子：　　　　　　　TV, VCRs,照相机,安全系统、视频游戏机、PDA、彩票机等

军事装备：　　　　　　　军用通信便携机、车载火炮发射控制器等

仪器仪表、医疗：　　　　信令分析仪、心电测量、彩色B超、CT等

制造业控制系统：　　　　大型油田、煤矿、核电站、钢铁厂、港口控制等

4　基于平台的嵌入式系统设计方法----嵌入式智能平台[1]

4.1　嵌入式智能平台的产生

为了应对嵌入式系统的激烈竞争，加快产品进入市场的步伐，缩短产品开发周期，一些嵌入式系统的制造厂商和一些半导体芯片生产厂商针对嵌入式系统的应用特点与行业的特殊需求推出了多种嵌入式智能平台（ EIP ）。

4.2　EIP技术

EIP （Embedded Intelligent Platform，嵌入式智能平台）是以计算机和信息技术的发展为基础的。通用计算机具有计算机的标准形态，通过配置不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC；而嵌入式计算机通常指符合某种工业标准的单板计算机，并且强调能适应于各种工作环境，可嵌入更多应用的产品。因此嵌入式计算机是具有多品种、小批量特点的产品，产业进入的门槛较高。同时由于它已经不再具有计算机的标准形态，所以一些主流工业控制计算机厂商更愿意将其定义为嵌入式智能平台（Embedded Intelligent Platform），简称EIP。

4.3　EIP的构成

嵌入式智能平台一般包含有处理器、高速缓存、FLASH、DRAM控制器、DMA（Direct Memory Access-直接内存存取）控制器、PCI（Peripheral Component Interconnect:外部设备互连）控制器等，以及一套开发系统。用户利用开发系统提供的开发工具进行编程，便可以在EIP的基础上增添专用功能或针对应用的特定要求进行系统优化和性能评估，开发出嵌入于产品、装置或大型系统中的嵌入式计算机系统。

嵌入式智能平台的引入降低了一般嵌入式系统的开发难度，开发成本，缩短了产品的开发周期。

处理器是EIP中的核心，常见的处理器由单处理器或双处理器构成。以基于分组网络技术(如VoIP-Voice over Internet Protocol和基于数字用户线的语音技术)的网络应用的EIP为例，传统的单一结构处理器很难满足这些复杂网络处理任务需求，而同时结合RISC（精简指令集）处理器和用于信号检测及噪声消除的数字信号处理器(DSP)的混合结构可以满足这些要求。一个典型VoIP系统使用一个RISC处理器来实现网络协议处理，执行位和字节操作以实现包头和路由信息解码、数据打包，并处理顺序标记以使信息包能正确实现声音回放。同时，系统还需要一个DSP来实现回声消除、噪声抑制和说话方的音调检测。在将信息打包之前DSP还执行静音检测和语音压缩，以及执行解码和解压这样的反向操作。满足这些多样要求的传统方案是采用双处理器。RISC处理器用于连接数字网络，用作协议处理引擎和网络管理器，同时也能处理主系统控制和用户接口；DSP与脉冲调制编码接口相连接，用于语音压缩及解压等功能。

尽管上面的双处理器方案原理上完全可行，但其最明显的缺点是两个处理器增加了成本，因为每个处理器有它自己的存贮器和外围器件，每个处理器也需要自己的设计工具链，以及近乎独立的软件开发工作。此外，两个处理器之间的数据交换，必须采用一些公用的双口RAM（随机存取寄存器）或FIFO（先进先出）存贮器为作两个处理器之间的缓冲器，或采用一个复杂的软件握手协议来控制数据交换。

不仅如此，该方案对于一些小型应用而言是大材小用。网络数据率决定了RISC处理器能够运行并保持的最低时钟速度，但实际上，在对单信道的数据处理中大多数时间RISC处理器都处于空闲状态。在大型系统中，RISC处理器能处理多个信道的数据流，而每个信道都有其自己的DSP，在小型系统中，多余的RISC处理器性能被浪费掉，因为其所需要的数据处理还不能充分利用DSP的性能。

于是对一些小型应用出现了单处理器方案：有在RISC处理器上扩展DSP功能的；也有在DSP上扩展RISC功能的；也有针对应用需求定制处理器（采用ASIC技术）的，但是，这种方法既费时、技术要求高、又费钱。

为了使性能价格比最佳，目前，出现了一种可扩展处理器。可扩展处理器的主要优点是使用统一的存贮器和单一的软件开发环境，比传统的双处理器设计具有更低的成本。此外，由于在内部实现定制，即允许用户根据应用的特点扩充特定的指令，所以此类处理器还能实现知识产权保护。然而，在选择采用可扩展处理器之前，　设计工程师必须完全了解应该向指令组中增加什么内容以充分利用这一结构的优点。目前这类处理器包括Tensilica公司的Xtensa和ARC International公司的ARCtangent。

4.4　EIP行业发展与特点

·充满机遇和挑战

嵌入式智能平台行业近年来发展迅猛，根据美国嵌入式计算机领导厂商Win System在RTC专业杂志上的预估，在未来10年内嵌入式智能平台市场将有10倍于桌上型计算机的市场机会。据IDC预测，嵌入式智能平台年增长率将达15%，1998年嵌入式智能平台市场的规模是126.5亿美元，2000年市场规模是250亿美元，2001年增加到311亿美元。可以讲，凡是需要嵌入智能处理、计算的应用，都是 嵌入式智能平台的市场。

·技术不断更新

嵌入式智能平台EIP是当今全球信息产业的热门，是二十一世纪计算机进入生活的发展方向。目前尚无更先进的替代技术及产品，行业本身的技术更新迅速，主要体现在随着计算机技术、超大规模集成电路技术、软件技术的逐日发展，应用领域的扩展，新的EIP产品不断被开发并迅速推向市场。

·行业壁垒较高

开发EIP产品不仅需要掌握计算机、通信以及软件领域等多方面关键技术，具备丰富的产品开发、生产管理经验，而且对产品的目标行业应用知识要有深刻的理解。上述因素使得作为EIP市场的竞争主体，要经历长期开发和生产经营实践的逐步积累、丰富的行业应用经验，才能形成竞争优势。因此该行业具有较高的进入壁垒。

·部分关键零组件仍需依赖进口

这主要针对我国EIP厂商而言。目前我国EIP生产所使用的部分关键零部件，如中央处理器及超大规模集成电路等仍须依赖美国、日本等厂商供应。此类零部件的市场供需状况及价格波动均会对EIP行业直接产生影响。随着中国加入WTO，IC进口的零关税将有助于降低产品成本。