嵌入式系统的现状及发展前景剖析

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。
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。
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。
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
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，这散、不断创新的知识集 成系统。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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510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。
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。
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
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
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。
、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。
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。
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。