1.2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势

在20世纪80年代，IT行业迅猛发展，像Intel、摩托罗拉、TI等上游厂商和公司都有着各自不同的数字体系架构，这使得它们生产的CPU等器件也各有不同。此时，全球工业价值链基本就是大包大揽的大公司的天下。比如像摩托罗拉等这样的大公司，它们在测试、制造、系统封装，甚至CPU设计等领域都是独立设计并生产的。这样由于使用的器件不同，编写的软件也就不一样，而越来越多不同的指令集、工具和语言，对整个数字技术的发展就显得非常不利。直到80年代末，产业链开始出现新的划分和分工。这样一个更有效的办法就是需要出现一个更上游的开发商来制定标准，而这个标准的统一，一定是从数字技术的核心CPU开始。于是一些公司开始了这方面的工作，其中之一的ARM公司在诞生时就选择了CPU体系结构设计这个上游厂商的模式。

1991年ARM（Advanced RISC Machines）公司于英国剑桥成立，其主要业务是设计32位的嵌入式微处理器，但它本身并不直接从事芯片生产，而是采用技术授权、转让设计许可的方式，由合作的半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理内核，根据各自需求，加入适当的外围电路接口和先进技术，从而形成带有自己特色的微处理器进入市场。由于ARM技术获得了更多的第三方在工具、制造和软件方面的支持，又使整个系统的成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，具有了更大的市场竞争力。因此可以说ARM公司是一个纯粹的知识产权的贩卖者，公司的业务没有硬件，没有软件，只有图纸上的知识产权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核由各公司生产的微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，并占据了32位RISC微处理器大部分的市场份额。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。

目前在硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包。底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片也比较齐全。而且巨大的市场需求给嵌入式系统开发人员提供了学习嵌入式系统的机遇。

在软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外的嵌入式实时操作系统有VxWorks、μC/OS等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城（CoreTek）公司的开发平台DeltaSystem、中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。读者可以在网上找到各种各样的免费资源及各种驱动程序源代码。

1.2.1 嵌入式系统的应用领域

嵌入式系统可应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。ARM技术的IP（知识产权）在下列领域已经取得了很大的成功。比如目前，在绝大部分的无线设备中（如手机等）都采用了嵌入式技术。在PDA一类的无线设备中，嵌入式微处理器针对视频流进行了优化，并获得了广泛的支持。在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机等中得到了更广泛的应用。在汽车领域中，包括驾驶、安全和车载娱乐等各种功能在内的设备，可用多个嵌入式微处理器就可将其功能统一实现。人们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机“机器”，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，如MP3、PDA、手机、智能玩具、电子病历、智能血压仪、无线收费、超市物流、网络家电、智能车载电子设备、安全监控、GPS、倒车雷达等。

在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实现。嵌入式系统的应用领域如图1-1所示。一些典型的嵌入式系统应用实例如图1-2所示。例如在数字家庭方面有数字电视、信息家电、智能玩具、手持通信、存储设备的核心，如图1-3所示。社区智能管理系统方面有社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等，如图1-4所示。在社会发展方面有嵌入式Internet应用，如图1-5所示。在CAN总线网络汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）的应用如图1-6所示。在军事侦察方面如图1-7所示。在PDA产品方面有掌上电脑，如图1-8所示。仿真机器人如图1-9所示，工程机械智能监控系统如图1-10所示，基于VxWorks的火星探路者如图1-11所示。

1.2.2 嵌入式技术的发展趋势

人们对嵌入式系统的要求是在经济性上系统价位要很便宜，使更多的人能够买得起；要小型化，使人们携带方便；要可靠性强，能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行；要能够迅速地完成数据计算或数据传输；要智能性高（知识推理、模糊查询、识别、感知运动），使人们用起来更习惯，对人们更有使用价值。下面介绍一下未来嵌入式系统的发展趋势。

1．嵌入式应用的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持

嵌入式开发是一项系统工程，因此要求厂商不仅提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。随着因特网技术的成熟、通信速度和带宽的提高，各种嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或DSP增强处理能力，同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

2．连网成为必然趋势

网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟、带宽的提高而日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂，功能更强。

为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部连网要求，嵌入设备必须配有通信接口，需要TCP/IP协议簇软件支持。由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。

3．精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本

为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片，这样就相应提高了对嵌入式软件设计技术的要求，例如选用最佳的编程模型、不断改进算法和优化编译器性能等。因此不仅需要软件人员有丰富的经验，更需要采用先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。

4．提供精巧的多媒体人机界面

嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是自然的人机交互界面。人与信息终端交互多采用以屏幕为中心的多媒体界面表达，如手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色的图形、图像。目前，一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布。

5．嵌入式软件开发走向标准化

嵌入式系统的应用程序也可以在没有操作系统的情况下直接在芯片上运行。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，用户必须自行选配嵌入式操作系统开发平台，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。

随着信息技术的发展，数字化产品空前繁荣。嵌入式软件已经成为数字化产品设计创新和软件增值的关键因素，是未来市场竞争力的重要体现。由于数字化产品具备硬件平台多样性和应用个性化的特点，因此嵌入式软件呈现出一种高度细分的市场格局。国外产品即使进入也很难垄断整个市场，这为我国的软件产业提供了一个难得的发展机遇。嵌入式支撑软件是嵌入式系统的基础，而与嵌入式操作系统密切联系的开发调试工具是嵌入式支撑软件的核心，它的集成度和可用性将直接关系到嵌入式系统的开发效率。目前，嵌入式系统工程师队伍迅速扩大，与他们紧密相伴的嵌入式系统开发工具的发展潜力十分巨大。人们应用的数字化产品都要求具有较强的网络和多媒体处理能力、易用的界面和丰富的应用功能。无线网络通信技术的迅速发展，使更多的信息设备运用无线通信技术。同时，Java技术的发展，对开发相关无线通信软件起到了推动作用，嵌入式浏览器、嵌入式多媒体套件、嵌入式GUI、嵌入式中文、嵌入式应用套件、嵌入式Java和嵌入式无线通信软件成为嵌入式软件的基本要素，能够组合应用或作为产品单独销售，市场巨大。另外，嵌入式支撑软件的发展也将带来一个繁荣的服务培训市场。