葉少珍（1963 -）
女，博士。現(xiàn)為福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系副主任。中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員第五屆工控機(jī)專(zhuān)委會(huì)委員。

摘要：結(jié)合商業(yè)應(yīng)用，本文分析并比較嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要介紹嵌入式系統(tǒng)在若干產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用實(shí)例。進(jìn)一步從計(jì)算機(jī)學(xué)科的技術(shù)發(fā)展角度，對(duì)嵌入式系統(tǒng)硬件，軟件，集成架構(gòu)和安全可靠性能等方面進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；軟硬件；集成架構(gòu)；安全可靠性

Abstract: Combined with business applications, the paper analyzes and compares with the 
application status on embedded systems, and introduces simply some application examples 
in the industries. In the view of technology development in the field of computer science,
 the future research direction is summaries, relating with these technologies such as 
hardware, software, frame integrated and security and reliability on the embedded system.

Key words: embedded system; software and hardware; frame integrated; security and reliability

1 引言

    信息和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，使當(dāng)今的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越深入到國(guó)民生活的方方面面，特別高性能多核處理器、光纖與Myrinet等高速網(wǎng)絡(luò)和高性能分布計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)工具推動(dòng)了集群計(jì)算從高性能計(jì)算向高效能計(jì)算的轉(zhuǎn)變。但如何管理調(diào)度龐大的資源集合，充分發(fā)揮每個(gè)部件的工作能力和降低系統(tǒng)耗能卻成為亟待解決的問(wèn)題，進(jìn)一步如何使計(jì)算和通信無(wú)所不在并成為普通用戶(hù)都能方便享用的服務(wù)，跨越移動(dòng)計(jì)算、嵌入式系統(tǒng)、自然人機(jī)交互、軟件結(jié)構(gòu)等多個(gè)研究領(lǐng)域的普適計(jì)算技術(shù)正在發(fā)揮著作用，當(dāng)然還存在實(shí)現(xiàn)上下文感知和應(yīng)用無(wú)縫遷移等問(wèn)題需要解決。

    另一方面，利用通信、嵌入式計(jì)算和傳感器等技術(shù)，人們研制出了各種具有感知、計(jì)算和通信等能力的微型傳感器，通過(guò)這些無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)人們可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶(hù)。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。

    綜上所述，嵌入式系統(tǒng)正是以其組網(wǎng)靈活﹑可靠性高﹑抗干擾能力強(qiáng)﹑低功耗和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著顯著的作用，本文從商業(yè)應(yīng)用層面小結(jié)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并結(jié)合計(jì)算機(jī)學(xué)科技術(shù)發(fā)展，從硬件，軟件，集成架構(gòu)和安全可靠性能等方面展望未來(lái)。

2 嵌入式系統(tǒng)以及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用

    嵌入式系統(tǒng)是一種面向應(yīng)用、功能定制、資源受限、響應(yīng)要求高、性能穩(wěn)定、無(wú)自舉開(kāi)發(fā)能力，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。“嵌入性”、“專(zhuān)用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素，應(yīng)用對(duì)象系統(tǒng)指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。按產(chǎn)品的構(gòu)成方式主要有如下四類(lèi)：嵌入式微處理器（(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)﹑嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)﹑嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)和嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip，SOC)。嵌入式系統(tǒng)總體特點(diǎn)：（l）嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)。（2 ）嵌入式系統(tǒng)是面向用戶(hù)，特定種類(lèi)的產(chǎn)品和具體領(lǐng)域應(yīng)用。（3）嵌入式系統(tǒng)對(duì)軟件要求高。一般固化在存儲(chǔ)器芯片中，多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵。（4）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要特定的開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具。（5）嵌入式系統(tǒng)軟件需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。（6）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員以專(zhuān)家為主。開(kāi)發(fā)人員需要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用結(jié)合，要求計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)以外的更多知識(shí)，往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)家[9]。

    目前，作為主流32位RISC嵌入式處理器，ARM（Advanced RISC Machines）以其高性能、低功耗的優(yōu)勢(shì)占據(jù)很大的市場(chǎng)份額。ARM處理器家族大致分為如下系列：ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore、strongARM、Xscale等。嵌入式操作系統(tǒng)除了通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)外，還滿(mǎn)足嵌入式便攜式設(shè)備所需的可裁剪性﹑可移植性﹑實(shí)時(shí)性和低資源占用性等特點(diǎn)，常用通用型嵌入式操作系統(tǒng)有Linux﹑VxWorks﹑Windows Embedded CE﹑PalmOS等，專(zhuān)用型嵌入式操作系統(tǒng)有Smart Phone﹑PocketPc﹑Symbian﹑Windows mobile等。國(guó)內(nèi)凱思集團(tuán)推出了“女蝸Hopen”已能支持所有主流的嵌入式芯片。嵌入式控制器體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、靈活方便等許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用已深入到多個(gè)領(lǐng)域，其主要范圍見(jiàn)表1[9]。

                                    表1   嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

 

2.2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)例

2.2.1 嵌入式人臉自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

    在智能家居或戶(hù)外非布控點(diǎn)的嵌入式人臉識(shí)別系統(tǒng)中，相關(guān)研究人員采用Windows CE5.0操作系統(tǒng)和基于ARM微處理器的Liod開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件架構(gòu)，以O(shè)penCV為輔助開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了嵌入式自動(dòng)人臉檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中考慮嵌入式硬件設(shè)備、人臉樣本的采集與篩選、識(shí)別算法等對(duì)嵌入式識(shí)別系統(tǒng)的性能和工作穩(wěn)定性的影響。為解決在海量人臉庫(kù)中進(jìn)行識(shí)別的難題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離人臉識(shí)別系統(tǒng)。需要進(jìn)一步改進(jìn)是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度由DSP芯片硬件完成人臉的檢測(cè)和圖像的預(yù)處理，改進(jìn)人臉細(xì)節(jié)特征點(diǎn)描述，有效綜合多種方法和其它生物特征的鑒別，可使嵌入式自動(dòng)人臉識(shí)別系統(tǒng)達(dá)到低成本、低功耗、便攜式等更好的目標(biāo)^[1][2] 。

2.2.2 分布式光纖管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

    管道輸送是一種經(jīng)濟(jì)方便的運(yùn)輸方式，在石油和天然氣運(yùn)輸中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，石油行業(yè)對(duì)長(zhǎng)距離輸油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)的需求主要有以下：（1）對(duì)管道周邊環(huán)境的長(zhǎng)距離全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控；（2）傳感器采集的數(shù)據(jù)有智能信息處理的能力；（3）對(duì)新的地質(zhì)環(huán)境及新的破壞手段的自適應(yīng)能力。根據(jù)已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，論文[8]提出長(zhǎng)距離輸油氣管線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模型，信號(hào)采集、光電轉(zhuǎn)換以及PGC解調(diào)由分布式光纖光相位傳感系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)源定位。解調(diào)后的土壤振動(dòng)信號(hào)經(jīng)USB口傳入一塊運(yùn)行嵌入式Windows XP系統(tǒng)的855主板，在此系統(tǒng)上運(yùn)行的程序?qū)崿F(xiàn)土壤振動(dòng)信號(hào)的分析與破壞性行為的模式分類(lèi)。分類(lèi)后產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)經(jīng)串口發(fā)往值守報(bào)警終端FU，F(xiàn)U為一塊運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)的ARM板卡。與此同時(shí)，振動(dòng)片段的原始信號(hào)以及破壞性行為的識(shí)別結(jié)果將通過(guò)網(wǎng)口傳往FST（服務(wù)器），在FST上。每個(gè)FST接收來(lái)自8個(gè)基站的信號(hào)，即對(duì)應(yīng)8個(gè)FU和8塊855主板，這樣，每個(gè)FST的監(jiān)控距離達(dá)400Km，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域級(jí)的管道安全監(jiān)控與預(yù)警，通過(guò)FST的級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)國(guó)家級(jí)覆蓋的管道安全監(jiān)控與預(yù)警。

2.2.3 DNA序列分析嵌入式系統(tǒng)

    二十世紀(jì)下半葉以來(lái)，分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)和生物化學(xué)的迅猛發(fā)展，使人類(lèi)對(duì)生命的認(rèn)識(shí)逐步從器官、細(xì)胞水平深入到分子水平，DNA(脫氧核糖核酸)攜帶了生物體的基因信息，基因信息的提取即DNA測(cè)序，是現(xiàn)代分子生物學(xué)研究中的重要分支。從1986年美國(guó)能源部提出的人類(lèi)基因組計(jì)劃(Human Genome Project，HGP) ^[3]到進(jìn)入后基因組時(shí)代，基因序列數(shù)據(jù)及蛋白序列數(shù)據(jù)正以前所未有的速度增長(zhǎng)，人們對(duì)基因檢測(cè)的需求越來(lái)越大，自二十世紀(jì)九十年代初開(kāi)始的固態(tài)平板生物芯片技術(shù)、到基于毛細(xì)管電泳及微型全分析儀器系統(tǒng) (micro total analytical system,μTAS)之上的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)^[4] 。      

    基于微芯片的商品化DNA分析儀是DNA序列分析測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的方向。微芯片與毛細(xì)管相比有許多優(yōu)勢(shì)：（l）可以在一塊微芯片上一次同時(shí)制作多條通道，降低實(shí)現(xiàn)高通量并行檢測(cè)的成本，且有利于大批量生產(chǎn)；（2）散熱性好，提高電泳電壓，降低所需分離長(zhǎng)度，提高檢測(cè)速度；（3）由于進(jìn)樣結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化樣品的進(jìn)樣量，降低電泳中的區(qū)帶展寬，提高電泳效率，且該結(jié)構(gòu)使長(zhǎng)DNA片斷更容易進(jìn)入微通道，從而提高其濃度，改善毛細(xì)管電泳中信號(hào)隨著DNA片斷長(zhǎng)度增加而衰減的現(xiàn)象，從而提高信號(hào)的均勻性與信噪比；（4）微芯片尺寸小，形狀固定，支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于儀器的微型化；（5）微芯片的進(jìn)樣過(guò)程容易控制，更有利于系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的實(shí)現(xiàn)；（6）易于與DNA檢測(cè)中的樣品處理步驟結(jié)合，形成集成化多功能的芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on a Chip)。研究人員使用嵌入式控制系統(tǒng)完成DNA分析儀的自動(dòng)化控制操作和數(shù)據(jù)采集的功能，該系統(tǒng)核心器件為PhiliPs的LPC2142一個(gè)32/16位ARM7 TDMI-S CPU微控制器，四色16通道DNA熒光信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)振鏡和自行設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)心f-theta掃描物鏡組成的光學(xué)掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道DNA快速并行檢測(cè)。DNA熒光信號(hào)采集系統(tǒng)中集成了嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制和與PC機(jī)的通信，采集到的DNA熒光信號(hào)圖譜可以在PC機(jī)中實(shí)時(shí)顯示，實(shí)測(cè)信噪比為26.91dB，達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平^[5][6] 。

2.2.4 基于模型的汽車(chē)光纖傳感智能環(huán)境感知系統(tǒng)

    以汽車(chē)電子控制系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)模型的硬件平臺(tái)，符合汽車(chē)電子行業(yè)公認(rèn)的OSEK標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)模型的軟件平臺(tái)，研究人員研究在基于模型的汽車(chē)電子軟件開(kāi)發(fā)中使用復(fù)雜事務(wù)模型時(shí)的模型綜合問(wèn)題，包括分布式環(huán)境中多資源約束的模型綜合方法和能量節(jié)省的模型綜合方法，即基于模型汽車(chē)電子軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境SmartOSEK IDE v3.5中模型綜合的理論框架－MOSAES以及與MOSAES相關(guān)的模型：結(jié)構(gòu)模型、平臺(tái)模型、實(shí)現(xiàn)模型和約束模型等，該方法包括構(gòu)件分配和實(shí)現(xiàn)模型生成兩個(gè)階段。首先，在滿(mǎn)足處理器的計(jì)算資源、內(nèi)存資源約束和保持計(jì)算密度平衡的條件下把構(gòu)件分配到處理器上，然后以滿(mǎn)足定時(shí)約束為目標(biāo)生成實(shí)現(xiàn)模型。構(gòu)件分配和實(shí)現(xiàn)模型生成是一個(gè)回溯的過(guò)程。此外，提出了混合調(diào)度方式和分組調(diào)度方式下，任務(wù)段之間不連續(xù)時(shí)，事務(wù)的定時(shí)驗(yàn)證方法，以滿(mǎn)足分布式環(huán)境中驗(yàn)證定時(shí)約束的需要^[10] 。

3 嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件

    嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式數(shù)據(jù)處理硬件及與之配套的嵌入式軟件，嵌入式系統(tǒng)的硬件可采用三種CPU方案滿(mǎn)足不同要求，它們分別是：微控制器、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）以及專(zhuān)用集成電路（ASIC）。如今具有計(jì)算功能的芯片替代微控制器現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）以及專(zhuān)用集成電路（ASIC）都采用了硬件化的布爾邏輯算法并具有高度的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)豐富的邏輯功能。再者，它們都可通過(guò)諸如VHDL和Verilog之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言（HDL）進(jìn)行編程，不必動(dòng)用由第三代或更高級(jí)編程語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件進(jìn)行編程。一款FPGA平臺(tái)適用于多種產(chǎn)品，從而起到了平衡開(kāi)發(fā)成本與資源的作用^[11] 。目前基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較有影響和特點(diǎn)的4款嵌入式CPU 軟核分別是Nios/Nios2、MicroBlaze、Leon2/Leon3和OpenRISC1200，其中Nios 系列配置靈活，可滿(mǎn)足大范圍的速度、面積的需求；MicroBlaze 配置選項(xiàng)少，但是比相同功能的Nios 系列的性能要高一點(diǎn)；Leon 與主流通用CPU 兼容，因此軟件資源豐富，主頻一定時(shí)，性能可得到保證；OpenRISC 不與任何其它CPU 的指令集兼容，對(duì)用戶(hù)自定義指令的支持很好，可應(yīng)用在一些安全要求高的環(huán)境。軟件開(kāi)發(fā)都使用GNU 或者GNU Pro 交叉編譯開(kāi)發(fā)包，并且都有Linux 或者uClinux 操作系統(tǒng)的支持，因此軟件開(kāi)發(fā)不需要重新學(xué)習(xí)新的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并且有大量的免費(fèi)、開(kāi)源的資源。

    嵌入式軟件的特征概括為四個(gè)字:“小”、“特”、“專(zhuān)”、“簡(jiǎn)”。嵌入式的支撐軟件主要包括：嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、嵌入式調(diào)試軟件等，在國(guó)外，Sybase在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，應(yīng)用于遍及醫(yī)療保險(xiǎn)、金融、服務(wù)、零售業(yè)、運(yùn)輸和政府等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)動(dòng)向：（l）對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)大支持，為了滿(mǎn)足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器，如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力，同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。例如，諾基亞手機(jī)嵌入低功耗方位微處理器AMD ELAN486，并采用嵌入式操作系統(tǒng)ECOS；國(guó)產(chǎn)康佳手機(jī)也內(nèi)置ARM7處理器，配用Nuclear RTOS。（2）為設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信提供標(biāo)準(zhǔn)接口。（3）支持小型電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)小尺寸，微功耗和低成本。（4）提供精巧的多媒體人機(jī)界面。

    與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、GPS衛(wèi)星定位及地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)INTERNET、短信、Wap、Java，嵌入式系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的組合集成產(chǎn)品也是現(xiàn)在很多IT公司研發(fā)的主要方向，如中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)福建有限公司物流通就是一個(gè)集GPS、LCS、GIS、GPRS、SMS等技術(shù)的綜合性應(yīng)用平臺(tái)，為物流公司、配貨站、公司車(chē)隊(duì)、各種營(yíng)運(yùn)車(chē)輛及外出人員、私家車(chē)等車(chē)輛提供實(shí)時(shí)的位置信息，可以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行追蹤、人員追蹤、通過(guò)實(shí)時(shí)的位置，可以為企業(yè)提供高效的車(chē)輛調(diào)度。同時(shí)通過(guò)GPS終端的其它功能，對(duì)車(chē)輛起到有效的防盜作用，油耗監(jiān)控，對(duì)各類(lèi)企業(yè)的車(chē)輛安全、成本控制提供有效的保障。星網(wǎng)GPS智能監(jiān)控管理系統(tǒng)綜合應(yīng)用了GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)、GIS地理信息處理技術(shù)，提供基于GSM/GPRS/CDMA 模式的移動(dòng)目標(biāo)定位、監(jiān)控、監(jiān)聽(tīng)、調(diào)度、遠(yuǎn)程控制、軌跡回放、信息發(fā)布等服務(wù)，具有聯(lián)網(wǎng)報(bào)警和求助等功能，能為移動(dòng)車(chē)輛管理和行業(yè)應(yīng)用提供了一整套完善的解決方案^[12] 。

3.2 基于ScratchPad Memory嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化

    ScratchPad Memory是集成到芯片上的非cache用途的SRAM存儲(chǔ)器的統(tǒng)稱(chēng)，利用ScratchPad Memory進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化：嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)化，通過(guò)對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)中調(diào)度算法的改進(jìn)，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度模塊進(jìn)行優(yōu)化，將進(jìn)程調(diào)度模塊分配到 Scratchpad Memory上運(yùn)行；將嵌入式操作系統(tǒng)微內(nèi)核化，對(duì)微內(nèi)核實(shí)行構(gòu)件化，從而提高嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率；多道程序共享ScratchPad Memory的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)嵌入式程序進(jìn)行分析，生成存儲(chǔ)對(duì)象。這些存儲(chǔ)對(duì)象在運(yùn)行時(shí)，可以被調(diào)度到 SeratchPad Memory上，利用 ScratchPad Memory的特點(diǎn)加快程序的運(yùn)行速度，減少程序運(yùn)行時(shí)的能耗；提出了面向MPSoC體系結(jié)構(gòu)的SeratchPad Memory優(yōu)化。通過(guò)操作系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)的SeratchPad Memory管理器在多道程序之間進(jìn)行協(xié)同，達(dá)到多道程序共享 Scratchpad Memory的目的。通過(guò)對(duì)程序的線(xiàn)程化，提高程序的并行性，同時(shí)，由于線(xiàn)程流水，存儲(chǔ)對(duì)象將會(huì)相對(duì)穩(wěn)定的駐留在 ScratchPad從而實(shí)現(xiàn)對(duì)程序運(yùn)行加速的目標(biāo)。總之通過(guò)基于 ScratchPad Memory的優(yōu)化，提升嵌入式系統(tǒng)的整體性能，將推動(dòng) ScratchPad Memory在嵌入式系統(tǒng)中的進(jìn)一步研究和推廣^[7] 。 

3.3 嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

    目前，隨著嵌入式系統(tǒng)功能和復(fù)雜性的增大，嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)已是一個(gè)廣泛的研究課題，主要包括：系統(tǒng)建模、軟/硬件協(xié)同綜合、設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù)、軟/硬件協(xié)同仿真、軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證、SoC測(cè)試調(diào)度技術(shù)等方面，并且還分為不同的設(shè)計(jì)層次。 

    嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)與硬件仍然密不可分，隨著人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)的功能要求越來(lái)越復(fù)雜，從軟硬件系統(tǒng)與平臺(tái)選擇，設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)到測(cè)試與集成，整個(gè)過(guò)程都是軟硬件并行交互進(jìn)行，這樣嵌入式軟件開(kāi)發(fā)己經(jīng)成為一項(xiàng)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，因此嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)必須遵循系統(tǒng)工程和軟件工程的要求，并對(duì)高速增長(zhǎng)的成本和電路系統(tǒng)的復(fù)雜性以及市場(chǎng)所帶來(lái)的時(shí)間壓力，迫使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)期間就開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，因而需要加強(qiáng)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)和外圍硬件設(shè)計(jì)階段之間的信息交流，強(qiáng)調(diào)虛擬系統(tǒng)集成(Vsl)技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)和虛擬環(huán)境的構(gòu)造。

    論文^[9]研究人員提出采用“面向方面技術(shù)  (Aspect Oriented Technofogy，AOT)”解決各構(gòu)成要素間導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率和軟件質(zhì)量低下的橫斷關(guān)系，定義了面向方面軟件體系結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件及各構(gòu)件間的連接器，進(jìn)而提出了一種面向方面的嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)模型。并通過(guò)在自動(dòng)售貨機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)中的實(shí)際應(yīng)用，說(shuō)明了基于該模型的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。與基于傳統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)結(jié)果對(duì)比表明，采用該軟件體系結(jié)構(gòu)模型能提高軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率和軟件質(zhì)量。

4 嵌入式系統(tǒng)的性能

    快速性是系統(tǒng)實(shí)時(shí)能力的表現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，必須提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，然而，運(yùn)行速度的提高必然帶來(lái)系統(tǒng)的一些負(fù)面效應(yīng)，如導(dǎo)致系統(tǒng)功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)具體的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，在保證能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的條件下，應(yīng)使系統(tǒng)的運(yùn)行速度降到最低，以滿(mǎn)足系統(tǒng)在功耗、可靠性、電磁兼容性方面獲得最佳的綜合品質(zhì)。在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有許多過(guò)程環(huán)節(jié)。例如，一個(gè)典型的智能儀表就有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、鍵盤(pán)輸入等過(guò)程。這些過(guò)程往往是在不同的時(shí)間與空間上進(jìn)行，而且不同過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求是不同的。鍵盤(pán)輸入、結(jié)果顯示是與人交互的，要滿(mǎn)足人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性要求；信號(hào)采集與對(duì)象系統(tǒng)領(lǐng)帶的動(dòng)態(tài)性密切相在，必須滿(mǎn)足由動(dòng)態(tài)信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性要求；而數(shù)據(jù)處理則會(huì)形成從動(dòng)態(tài)信號(hào)采集到結(jié)果顯示的時(shí)間延遲，影響到結(jié)果顯示的實(shí)時(shí)性要求。因此一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須研究系統(tǒng)中的每一個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)，滿(mǎn)足每一個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)和整個(gè)系統(tǒng)的最佳實(shí)時(shí)要求。

    嵌入式系統(tǒng)往往工作環(huán)境惡劣、受電噪聲干擾較大，而且隨著軟件越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象愈來(lái)愈嚴(yán)重，因此，可靠性已成為衡量嵌入式系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素，應(yīng)把可靠性作為嵌入式系統(tǒng)最重要的指標(biāo)優(yōu)先考慮。具體包括架構(gòu)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)的可靠性，數(shù)據(jù)的可靠性和人員的可靠性。      

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和若干技術(shù)進(jìn)展，特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)集成的觀點(diǎn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象的選擇，以及嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等的貫穿思想，有助于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行合理有較好性?xún)r(jià)比的軟硬件分配，算法的選擇，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)環(huán)境的搭建，使嵌入式系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有更好的發(fā)展前景。


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