基本介紹
- 中文名：嵌入式軟體
- 外文名：Embedded software
- 領域：軟體工程
- 套用：嵌入式開發
系統,定義,背景,發展歷史,系統分類,新曙光,軟硬體特徵,學習意義,產業講解,概述,套用,產業形成,軟體分類,軟體特點,軟體發展趨勢,
系統
定義
嵌入式系統是指用於執行獨立功能的專用計算機系統。它由包括微處理器、定時器、微控制器、存儲器、感測器等一系列微電子晶片與器件，和嵌入在存儲器中的微型作業系統、控制套用軟體組成，共同實現諸如實時控制、監視、管理、移動計算、數據處理等各種自動化處理任務。嵌入式系統以套用為中心，以微電子技術、控制技術、計算機技術和通訊技術為基礎，強調硬體軟體的協同性與整合性，軟體與硬體可剪裁，以此滿足系統對功能、成本、體積和功耗等要求。
最簡單的嵌入式系統僅有執行單一功能的控制能力，比如說單片機的套用，在唯一的ROM 中僅有實現單一功能控制程式，無微型作業系統。複雜的嵌入式系統，例如個人數字助理（PDA）、手持電腦（HPC）等，具有與PC幾乎一樣的功能。實質上與PC的區別僅僅是將微型作業系統與套用軟體嵌入在ROM、RAM 和/或FLASH存儲器中，而不是存貯於磁碟等載體中。很多複雜的嵌入式系統又是由若干個小型嵌入式系統組成的。
背景
近些年來，隨著以計算機技術，通訊技術為主的信息技術的快速發展和Internet 的廣泛套用，傳統的控制學科正在發生變革，出現了許多新的生長點。伴隨而來的一個現象是控制專業的相當多的學生在畢業後進入了計算機，通訊行業，以致有人說學控制沒有用，自動化專業可以取消了。這些情況的出現使我們控制教育工作者反覆思考，傳統的控制應如何拓寬它的領域？控制專業應該教什麼才使學生感到有用？
發展歷史
第一階段：早期的嵌入式系統設計方法，通常是採用“硬體優先”原則。即在只粗略估計軟體任務需求的情況下，首先進行硬體設計與實現。然後，在此硬體平台之上，再進行軟體設計。因而很難達到充分利用硬體軟體資源，取得最佳性能的效果。同時，一旦在測試時發現問題，需要對設計進行修改時，整個設計流程將重新進行，對成本和設計周期的影響很大。這種傳統的設計方法只能改善硬體/軟體各自的性能，在有限的設計空間不可能對系統做出較好的性能綜合最佳化，在很大程度上依賴於設計者的經驗和反覆實驗。
第二階段：90年代以來隨著電子系統功能的日益強大和微型化，系統設計所涉及的問題越來越多，難度也越來越大。同時硬體和軟體也不再是截然分開的兩個概念，而是緊密結合、相互影響的。因而出現了軟硬體協同（codesign）設計方法，即使用統一的方法和工具對軟硬體，協同設計軟硬體體系結構，以最大限度地挖掘系統軟硬體能力，避免由於獨立設計軟硬體體系結構而帶來的種種弊病，得到高性能低代價的最佳化設計方案。
系統分類
流行的嵌入式作業系統可以分為兩類：
Linux 是90年代以來逐漸成熟的一個開放原始碼的作業系統。 PC機上的Linux 版本在全球數以百萬計愛好者的合力開發下，得到了非常迅速的發展。90 年代末uClinux，RTLinux 等相繼推出，在嵌入式領域得到了廣泛的關注，它擁有大批的程式設計師和現成的套用程式，是我們研究開發工作的寶貴資源。
新曙光
進入21世紀以來，我們在嵌入式系統及其套用的科研工作中採用了信息產業中的最新技術，打破了學科之間的界限，感到控制的出路原來很多，儘管處處是挑戰。過去我們熟悉的“控制”有很大的局限性.：一是不考慮硬體的限制， 二是不考慮控制器的複雜性及計算能力， 三是不注重實用性和效益。在微處理器，微感測器和微型執行元件不斷推出新產品的形勢下，控制的思路與手段正經歷著巨大的變化。在經過一番艱苦的實踐摸索之後，我們對控制學科的研究和教學有了一些新的認識。本教材就是在我們這些年科研工作的基礎上總結出來的，它還比較粗糙，還需要今後花大力氣把它完善與提高。
軟硬體特徵
嵌入式系統的硬體必須根據具體的套用任務，以功耗，成本，體積， 可靠性，處理能力等為指標來選擇。嵌入式系統的核心是系統軟體和套用軟體，由於存儲空間有限，因而要求軟體代碼緊湊，可靠，大多對實時性有嚴格要求。
學習意義
從控制意義上說，嵌入式系統涉及系統最底層的，晶片級的信息處理與控制。在某種意義上，對這些“微觀”世界的了解與駕馭正是控制的真正目的。嵌入式系統與通常意義上的控制系統在設計思路和總體架構方面有許多不同之處，而這些不同之處恰恰是傳統控制學科教學中較少教給學生的。在當今信息化社會中，嵌入式系統在人們的日常工作和生活中所占的份額，可能已超過傳統意義的控制系統，這就是為什麼我們的學生感到學的沒有用，而有用的又沒有學的原因。在嵌入式系統及開發環境方面，仍有許多問題尚在研究發展之中，如，嵌入式系統的硬體軟體協同設計方法；面向多目標，多任務的微核心嵌入式作業系統；分布嵌入式系統的實時性問題，分散式計算，分散式信息互動與綜合處理；以及嵌入式系統的多目標交叉編譯和交叉調試工具的研究等。通過實驗開發平台，學習嵌入式系統的一些基本理論和硬體軟體綜合設計的方法與技能，親自動手，實現一個嵌入式系統的解決方案，為今後的深入研究打下一個初步基礎。
結語：“嵌入式系統”作為自動化學科一門理論與實際密切結合的，知識與技術含量較高的綜合性專業課程，必將隨著信息產業的發展而逐漸趨於成熟。
產業講解
概述
嵌入式軟體與嵌入式系統是密不可分的，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”，就是以套用為中心，以計算機技術為基礎，並且軟硬體可裁剪，適用於套用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬體設備、嵌入式作業系統以及用戶的套用程式等四個部分組成，用於實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。而嵌入式軟體就是基於嵌入式系統設計的軟體，它也是計算機軟體的一種，同樣由程式及其文檔組成，可細分成系統軟體、支撐軟體、套用軟體三類，是嵌入式系統的重要組成部分。
套用
嵌入式軟體在中國的定位應該集中在國防工業和工業控制、消費電子、通信產業。
首先一個市場是數位電視市場。中國有8000萬戶有線電視網用戶、1億以上有線電話網用戶、3億多台彩色電視機、7000多萬台VCD/DVD機，據估計，未來十年是機頂盒的黃金時期，十年間總量可達到1～1.5億台，總產量將達到600～1500億元人民幣。
第二個市場是移動通信市場。中國是全球第二大手機消費國，今年，中國手機的用戶將達到7000萬，據預計，明年，中國將成為全球第一大手機消費國；國內GSM手機定點廠家已達到14家，如果每個手機定點廠家的年產量達到100萬台（盈利點），則總產量將達到1400萬台。
第三個市場是掌上電腦（PDA）。計算機正在向微型化和專業化方向發展，PDA在5年內總銷量將達到3000萬台，總產值達到300億元。
綜合三個市場，當前的形勢為：數位電視市場已開始啟動；2.5G和3G手機的研發已開始，國內手機廠家的市場拓展已取得初步成功；PDA市場已初步形成規模。
產業形成
嵌入式軟體產業的形成
談到嵌入式軟體的形成，必須從計算機發展的三個階段開始。第一階段始於五十年代的由IBM、Burroughs、Honeywell等公司率先研製的大型機；第二階段始於七十年代的個人計算機；第三階段是目前被稱為“無處不在的計算機”階段。PC時代造就了單一平台——PC機，後PC時代將建立在千變萬化的平台基礎之上，千變萬化的套用產生千變萬化的計算機，從而要求千變萬化的軟體系統，因此，嵌入式軟體應運而生。
軟體分類
1．嵌入式作業系統：嵌入式作業系統EOS（EmbeddedOperating System）是一種用途廣泛的系統軟體，過去它主要套用於工業控制和國防系統領域。EOS負責嵌入系統的全部軟、硬體資源的分配、調度工作，控制、協調並發活動；它必須體現其所在系統的特徵，能夠通過裝卸某些模組來達到系統所要求的功能。嵌入式作業系統通常以商業運作為主，從上世紀80年代起，商業化的嵌入式作業系統開始得到蓬勃發展。現在國際上有名的嵌入式作業系統有Windows CE 、Palm OS 、Linux 、VxWorks 、pSOS、 QNX、OS-9 、LynxOS等，已進入我國市場的國外產品有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等。我國嵌入式作業系統的起步較晚，國內此類產品主要是基於自主著作權的Linux作業系統，其中以中軟Linux、紅旗Linux、東方Linux為代表。
2． 嵌入式支撐軟體：支撐軟體是用於幫助和支持軟體開發的軟體，通常包括資料庫和開發工具，其中以資料庫最為重要。嵌入式資料庫技術已得到廣泛的套用，隨著移動通信技術的進步，人們對移動數據處理提出了更高的要求，嵌入式資料庫技術已經得到了學術、工業、軍事、民用部門等各方面的重視。嵌入式移動資料庫或簡稱為移動資料庫（EMDBS）是支持移動計算或某種特定計算模式的資料庫管理系統，資料庫系統與作業系統、具體套用集成在一起，運行在各種智慧型型嵌入設備或移動設備上。其中，嵌入在移動設備上的資料庫系統由於涉及資料庫技術、分散式計算技術，以及移動通訊技術等多個學科領域，目前已經成為一個十分活躍的研究和套用領域。國際上主要的嵌入式移動資料庫系統有Sybase、Oracle等。我國嵌入式移動資料庫系統以東軟集團研究開發出了嵌入式資料庫系統OpenBASE Mini為代表。
3． 嵌入式套用軟體：嵌入式套用軟體是針對特定套用領域，基於某一固定的硬體平台，用來達到用戶預期目標的計算機軟體。由於用戶任務可能有時間和精度上的要求，因此有些嵌入式套用軟體需要特定嵌入式作業系統的支持。嵌入式套用軟體和普通套用軟體有一定的區別，它不僅要求其準確性、安全性和穩定性等方面能夠滿足實際套用的需要，而且還要儘可能地進行最佳化，以減少對系統資源的消耗，降低硬體成本。目前我國市場上已經出現了各式各樣的嵌入式套用軟體，包括瀏覽器、Email軟體、文字處理軟體、通訊軟體、多媒體軟體、個人信息處理軟體、智慧型人機互動軟體、各種行業套用軟體等。嵌入式系統中的套用軟體是最活躍的力量，每種套用軟體均有特定的套用背景，儘管規模較少，但專業性較強，所以嵌入式套用軟體不象作業系統和支撐軟體那樣受制於國外產品壟斷，是我國嵌入式軟體的優勢領域。
軟體特點
2． 嵌入式軟體應有靈活的適用性。嵌入式軟體通常可以認為是一種模組化軟體，它應該能非常方便靈活的運用到各種嵌入式系統中，而不能破壞或更改原有的系統特性和功能。首先它要小巧，不能占用大量資源；其次要使用靈活，應儘量最佳化配置，減小對系統的整體繼承性，升級更換靈活方便。
軟體發展趨勢
進入90年代以來，以計算機技術、通信技術和軟體技術為核心的信息技術取得了更加迅猛的發展，各種裝備與設備上嵌入式計算與系統的廣泛套用大大地推動了行業的滲透性套用。嵌入式系統被描述為：“以套用為中心、軟體硬體可裁剪的、適應套用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格綜合性要求的專用計算機系統”，由嵌入式硬體和嵌入式軟體兩部分組成。硬體是支撐，軟體是靈魂，幾乎所有的嵌入式產品中都需要嵌入式軟體來提供靈活多樣、而且套用特製的功能。由於嵌入式系統套用廣泛，嵌入式軟體在整個軟體產業中占據了重要地位，並受到世界各國的廣泛關注；如今已成為信息產業中最為耀眼的“明星”之一。
就嵌入式軟體的未來發展，我們有如下觀點：
嵌入式軟體產業發展迅猛，已成為軟體體系的重要組成部分。嵌入式系統產品正不斷滲透各個行業，嵌入式軟體作為包含在這些硬體產品中的特殊軟體形態，其產業增幅不斷加大，而且在整個軟體產業的比重日趨提高。2003年全球嵌入式軟體市場規模達到346億美元， 2003年中國市場規模達到188億元，預計到2006年嵌入式軟體市場規模將突破400億元大關，2003-2006年均複合增長率將達到30%。
新一輪汽車、通訊、信息電器、醫療、軍事等行業的巨大的智慧型化裝備需求拉動了嵌入式軟體及系統的發展。同傳統的通用計算機系統不同，嵌入式系統面向特定套用領域，根據套用需求定製開發，並隨著智慧型化產品的普遍需求滲透到各行各業。隨著硬體技術的不斷革新，硬體平台的處理能力不斷增強，硬體成本不斷下降，嵌入式軟體已成為產品的數位化改造、智慧型化增值的關鍵性、帶動性技術。
SOC技術是微電子技術發展的一個新的里程碑，並已成為當今超大規模IC的發展趨勢，為IC產業提供前所未有的廣闊市場和難得的發展機遇。迅猛發展的SOC工業再次地推進了嵌入式軟體與硬體系統進一步融合嵌入，嵌入式軟體是其靈魂與核心。SOC技術的出現，改變了傳統嵌入式系統的設計觀念，基於IP構件庫的設計技術將成為嵌入式系統設計的主流；IP構件庫技術正在造就一個新興的軟體行業。目前的網際網路技術只聯接了5%左右的計算裝置，大量的嵌入式設備急需網路連線來提升其服務能力和套用價值。同時，以人為中心的普適計算技術正推動新一輪的信息技術的革命。計算無所不在，嵌入式設備將以各種形態分布在人類的生存環境中，提供更加人性化、自然化的服務。網際網路的"深度"聯網和普適計算"縱向"普及所帶來的計算挑戰，將推動嵌入式軟體技術向"縱深"發展，催生了新型嵌入式軟體技術。
嵌入式軟體
嵌入式軟體近十年來，嵌入式作業系統得到飛速的發展：微處理器從8位到16位、32位甚至64位；從支持單一品種的CPU晶片到支持多品種的；從單一核心到除了核心外還提供其他功能模組，如檔案系統，TCP/IP網路系統，視窗圖形系統等；並形成包括嵌入式作業系統、中間平台軟體在內的嵌入式軟體體系。硬體技術的進步，推動了嵌入式系統軟體向運行速度更快、支持功能更強、套用開發更便捷的方向不斷發展。
隨著嵌入式系統套用的不斷深入和產業化程度的不斷提升，新的套用環境和產業化需求對嵌入式系統軟體提出了更加嚴格的要求。在新需求的推動下，嵌入式作業系統核心不僅需要具有微型化、高實時性等基本特徵，還將向高可信性、自適應性、構件組件化方向發展；支撐開發環境將更加集成化、自動化、人性化；系統軟體對無線通信和能源管理的功能支持將日益重要。
行業性開放系統正日趨流行。統一的行業標準具有開放、設計技術共享、軟硬體重用、構件兼容、維護方便和合作生產的特點，是增強行業性產品競爭能力的有效手段。嵌入式作業系統本身正走向開放化、標準化；Linux正逐漸成為嵌入式作業系統的主流；J2ME技術也將對嵌入式軟體的發展產生深遠影響。目前自由軟體技術備受青睞，並對軟體技術的發展產生了巨大的推動作用，這為我國加快發展嵌入式軟體技術提供了極好機遇和條件。
嵌入式軟體
嵌入式軟體從國家戰略目標與產業發展來看，嵌入式軟體是實現傳統製造業轉型與提升的關鍵技術，她對整體提升我國製造業的競爭能力、大幅度地增強??立專用計畫與項目，推動嵌入式軟體技術與產業的技術進步與快速發展。
