嵌入式产品设计范文

关键词：嵌入式系统；现状；发展前景

1.引言

随着计算机技术、互联网技术和单片机技术的深入发展，嵌入式系统得到大规模的应用。各种各样的新型嵌入式系统设备在使用频率上已经大大超过个人计算机。人们已经拥有大大小小各种嵌入式技术的电子产品，小到手表、MP3等微型数字化产品，大到车辆导航、家用电器、多媒体电器；而在服务行业和工业领域中，嵌入式技术的医疗设备、工业过程控制、各种智能ATM终端等正在逐渐改变传统的服务方式，提高工业生产效率。

2.嵌入式系统介绍

2.1嵌入式系统的含义

嵌入式系统（EmbeddedSystem）是一种具备软件及硬件的完整的计算机系统，但又不同于传统的通用计算机系统。根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统所用的计算机是嵌入到受控器件中的专用微处理器，只执行特定要求的任务，具有通用计算机所不能具备的为特定应用而设计的、高实时性、高可靠性和较低开发成本的专用计算机系统。

2.2嵌入式系统的特点

嵌入式系统与应用需求密切结合的，它具有很强的个性化，需要根据具体应用需求对软硬件进行裁剪，以符合应用系统的功能、成本、体积、可靠性等要求。⑴功能专一。嵌入式系统的专用性强，硬件和软件系统的结合相当紧密，一般系统的移植需根据硬件来进行，即便是系列一样或品牌相同的产品也必须根据各自硬件系统的改变做修改和完善；针对不同任务，系统还需进行较大更改。⑵系统精简。总体上，嵌入式系统没有明显的区分应用软件和系统软件，利于控制系统成本，也利于实现系统安全。⑶系统内核小。嵌入式系统在小型电子装置中的应用较为主要，与传统的操作系统内核相较要小得多。当前嵌入式系统的内核通常是一个只有几千字节到几万字节的微内核，在实际的使用过程中根据需要进行功能扩充或者删减。⑷嵌入式软件开发须使用多任务的操作系统。为保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，用户需要自行选择匹配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）开发平台。⑸较长的生命周期。嵌入式系统与产品的具体应用有机集成于一体，更新与换代可以同步进行。

3.嵌入式系统的发展现状

从上世纪70年代嵌入式系统问世以来，先后经过了从单片机到嵌入式CPU再到嵌入式操作系统几大发展阶段。进入二十一世纪，随着网络、通信、多媒体技术的不断进步，家庭百兆光纤网络普及、移动网络从3G到4G的快速更替，在信息化、智能化、网络化发展的推动下，嵌入式系统也已进入到一个高速发展的全新时代——基于Internet为标志的嵌入式操作系统时代。嵌入式系统已成为继PC和Internet之后，IT界新的技术热点。我国在个人领域中，嵌入式产品以个人商用为主，主要应用于个人移动的数据分析与处理、通讯和消费产品软件，例如智能手机、数字网络机顶盒、数字平板电视等产品，均是采用了基于Internet技术的嵌入式系统来操作使用；而在商业领域中，嵌入式系统更是延伸到消费电子、安全防务、电子商务、物流管理、自动控制、汽车智能化、电力系统管理等各大领域，嵌入式系统发展已经全面开花。随着工业化进程的发展，集成电路和新型元器件生产工艺与技术在产业中不断进步，64位以上芯片级的嵌入式技术的开发更是给嵌入式操作系统以强大的硬件支持。现在不但有各大公司的微处理器芯片，还有配套学习和研发使用的各种开发包。低层系统和硬件平台通过多年的研究开发与改进，技术相当成熟，可以实现各种功能。软件方面，日渐成熟的软件系统，如嵌入式实时操作系统Microsoft、VRTX、QNX和VxWorks等，以及中科院开发的嵌入式操作系统Hopen、我国科银公司的DeltaSystem嵌入式软件开发平台等，都给嵌入式系统的发展提供了广阔的开发平台。2013年中国的嵌入式市场规模已超过500多亿元人民币，而预计到2016年，中国嵌入式软件市场规模将达到1000亿元人民币，三年间平均年增长率高达33%左右。据估计，目前全球嵌入式软件市场的规模已经超过1000亿美元，并将以每年超过30%的速度不断增值。嵌入式系统背后拥有着无限大的发展空间，诱人的市场吸引了全世界IT商界巨头纷纷进军嵌入式市场，国家政策也对嵌入式软件行业实行“增值税优惠”的政策倾斜。嵌入式已然成为整个软件业的重要发展支柱，并且形成了一个充满无限商机的庞大产业。在“技术以人为本”的软件技术产业中，嵌入式行业正以其应用领域广、人才需求大、就业薪酬高、行业前景好等众多优势，获得越来越多应用开发人员的关注及青睐，使得无数研发工程师转而投入嵌入式这一行业。

4.嵌入式系统的发展前景

嵌入式系统的市场是巨大的，嵌入式系统的应用几乎无处不在：移动通信、数字办公、家电应用、交通运输、互动娱乐等无不有它的踪影。体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等嵌入控制器独有的特点与优势，使其被广泛运用到教育、国防、工农业、科学研究以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术进步、自动化发展、产品更换、提高生产率等方面起到了十分重要的促进作用。全面信息化时代及数字智能化时代使得嵌入式产品的发展获得了巨大的契机，为嵌入式市场呈现了繁荣的发展前景，但同时也对各个嵌入式厂商提出了新的要求及挑战，从中我们可以看出嵌入式系统未来的几大发展趋势：⑴系统化所谓系统化，就是从前期的硬件生产到应用系统开发直至后期的软硬件维护升级一条龙生产，将嵌入式开发塑造成一项系统工程。这势必需要嵌入式系统的生产商不但能够对用户提供嵌入式软硬件系统本身，并且还可以提供功能较齐全的硬件开发工具和后期软件包的支持。⑵网络化随着因特网技术的成熟、带宽的日益提高，网络化、信息化的要求会进一步提高，特别是伴随着物联网概念的问世，互联网已经将网络从人与人之间扩展到人与物、物与物之间，万物相联将成为未来生活的发展动向。未来的嵌入式设备为了满足网络发展的需求，不仅要求在硬件上提供相关的网络通信接口，还需要在软件上嵌入更多更加通用的命令程序以及各类通信协议。因此，这也使得未来的洗衣机、手机、冰箱甚至电灯泡等电子设备的功能将不再单一，结构也会更加繁复。⑶精简化网络化为嵌入式系统提供巨大的发展空间，但同样也会带来巨大的挑战。如上所述网络发展使得嵌入式系统的应用范围在不断扩展膨胀，设备的功能越来越先进、结构越来越复杂、内嵌程序命令越来越多，但从经济角度来看，当产业发展到一定阶段就必须降低能耗与成本来最大化的实现收益。因此嵌入式系统的开发也务必与产业发展的需要一致，必须要求嵌入式系统在不影响功能的基础上，能够尽最大可能的提炼、简化系统内核及程序算法，以便降低软硬件的能量消耗与成本。未来的嵌入式产品将是软硬件密切相结合的设备，只需留存和系统功能紧密关联的软件系统与硬件元器件，选用最佳的程序算法和编程模式，使用最少的资源实现最理想的功能，来优化系统性能。⑷人性化嵌入式系统的发展必须依仗嵌入式设备的推广，而用户对设备系统的使用体验是关键。嵌入式设备越能提供友好的用户界面和易于操作的应用系统，就越能让设备与用户进行亲密接触。因此提供友好的多媒体人机界面、更加智能化的应用系统，使用户不需要嵌入式的知识就能快速、便捷的掌握嵌入式产品的使用方法，是未来嵌入式系统开发的方向之一。⑸开放化安卓系统的流行让越来越多的人认识到Linus系统及开源式系统开发，同时也逐渐意识到开源式开发的优势与未来发展趋势。目前越来越多的嵌入式产品采用开源嵌入式操作系统，它使得嵌入式产品更加开放，操作自由、应用广泛、兼容性高，也更容易让嵌入式系统得到推广并不断得到完善。

5.结束语

嵌入式系统是这个后PC（Post-PC）时代的擎天之柱。相信随着科技及生产工艺的进步，人们科技素养的提高，未来的电子技术就是嵌入式系统技术的天下。

参考文献：

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嵌入式产品设计范文

在一般应用软件系统开发时，程序员只需论文联盟要考虑软件系统的功能设计，硬件部分直接根据软件需求购买即可。嵌入式软件的开发则需要软硬件综合开发，这有两方面的原因：一方面，任何一个嵌入式产品都是软硬件的结合体；另一方面，一旦嵌入式产品研制完成后，软件就已经固化在硬件环境中，用户不能对其修改。嵌入式软件的这一特点决定了嵌入式应用开发方式不同于传统的软件工程方法。

1嵌入式软件开发的特点

嵌入式软件的开发具有如下几方面的特点：

1）需要交叉开发工具和环境。由于嵌入式软件本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机交叉开发的概念，主机用于程序的开发、调试，目标机作为最后的执行机构。开发时主机和目标机需要交替结合进行。

2）软硬件协同设计。软硬件协同设计涉及以下方面：嵌入式软件设计、实时系统设计、硬件设计和软件设计。软硬件协同设计强调硬件与软件的协同性与整合性、软件与硬件的可裁减，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。

3）嵌入式软件开发人员以应用专家为主。通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士，而嵌入式软件则是要和各个不同行业的应用相结合的，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。

4）软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。

5）软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高，片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度。嵌入式软件的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑、可靠，大多对实时性有严格要求。

6）系统软件的高实时性。在多任务嵌入式软件中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾和合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。嵌入式软件应用程序虽然可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用系统资源，系统一般以成熟的实时操作系统作为开发平台，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。

2软硬件协同设计概念

嵌入式软件设计是使用一组物理硬件和软件来完成所需功能的过程。系统是指任何由硬件、软件或者两者的结合来构成的功能设备。由于嵌入式软件是一个专用系统，所以在嵌入式产品的设计过程中，软件设计和硬件设计是紧密结合、相互协调的。这就产生了一种全新的发展中的设计理论——软硬件协同设计。这种方法的特点是，在设计时从系统功能的实现角度考虑，把实现时的软硬件同时考虑进去，硬件设计包括芯片级功能定制”设计。既可最大限度地利用有效资源，缩短开发周期，又能取得更好的设计效果。

系统协同设计的整个流程从确定系统要求开始，包含系统要求的功能、性能、功耗、成本、可靠性和开发时间等。这些要求形成了由项目开发小组和市场专家共同制定的初步说明文档。系统设计首先确定所需的功能。复杂系统设计最常用的方法是将整个系统划分为较简单的子系统及这些子系统的模块组合，然后以一种选定的语言对各个对象子系统加以描述，产生设计说明文档。其次，是把系统功能转换成组织结构，将抽象的功能描述模型转换成组织结构模型。由于针对一个系统可建立多种模型，因此应根据系统的仿真和先前的经验米选择模型。

3嵌入式软件开发的方法论

在建立一个完整的嵌入式软件或是产品时，大部分系统都很复杂，不但功能规格很多，还必须考虑例如价格、性能等其他因素，否则很容易做出一个失败的系统或是产品。因此，在进行系统开发之前，必须先了解一些系统设计技术，使得在开发过程中更为顺利。一般来说，产品设计的过程会经历几个步骤，为了确保这些步骤的合理性，我们需要一个设计方法论来面对整个设计过程。采用方法论有以下三个重要理由。

确认所做的每一件事情都是必须要做的，不做无谓的工作，也不漏掉关键性的重要工作，其中包含性能最佳化或是功能测试。

根据设计方法论可以发展出计算机辅助工具或是设计经验累积，汲取每一次产品开发的经验。再经过量化之后，可以发展出一套工具或是方法，让往后的产品设计步入自动化。

开发团队遵循同一套方法论，可以让团队成员更容易彼此沟通。每个人都能在短时间内了解整体过程中将经历哪些过程，需要何种支持与接收到何种结果。此外，也容易通过一套已经定义好的方法论，彼此相互合作协调。设计过程的目标是做出有一定用途且具有创新点的产品。产品的典型规格包含功能性、制造成本、性能表现、省电考虑和其他特性。

4结束语

嵌入式产品设计范文篇3

关键词:嵌入式;微控制器;微处理器;DSP;SoC

中图分类号:TP36文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)22-pppp-0c

自20世纪70年代微处理器出现以来,嵌入式系统得到了飞速的发展。不同于通用计算机,嵌入式系统的硬件和软件都必须量体裁衣、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中更具竞争力。嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心,直接影响嵌入式产品的应用范围和开发复杂度。

目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行的体系结构有30多个系列,处理器的寻址空间一般从64kB到16MB,处理速度可以达到2000MIPS,常用封装从8个引脚到144个引脚不等。根据其现状可以分为嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)、嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)、嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP),嵌入式片上系统(SystemonChip,SoC)等几大类,其中各种档次的8/16/32/64位微控制器应用最为广泛,同时,IntelX86芯片、RISC芯片、DSP芯片、Motorola公司的ColdFire,DragonBall以及基于ARM内核的高性能微处理器的应用也逐渐引起人们的关注。

1嵌入式处理器的特点

作为嵌入式系统的核心,嵌入式处理器担负着控制、协调系统工作的重要任务,使宿主设备功能智能化,设计灵活和操作简单。为了合理、高效地完成这些任务,一般来说,嵌入式微处理器具有以下特点:1)很强的实时多任务支持能力;2)存储区保护功能;3)可扩展的微处理器结构;4)较强的中断处理能力;5)低功耗。

1.1嵌入式微控制器

MCU又称单片机。比较早期的单片机就是在CPU基础上,将输入输出(IO)接口电路、时钟发生器及一定容量的存储器等部件集成在一个芯片上,在其外加上晶体振荡器、AD、DA、DI、DO及光电隔离等器件就构成计算机系统。

如今的单片机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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设,不提倡用总线扩展设备,其最大特点是单片化,从而降低功耗和成本,提高可靠性。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,使单片机最大限度地和应用需求相匹配,减少功耗和成本。

目前国内单片机最成熟的领域是实时控制系统,其片上外设资源比较丰富,尤其适合于仪器仪表与控制方面的应用。可用于工业控制、智能化仪表、家用电器等方面,目前扩大到了通信、高档电子玩具等方面。

1.2嵌入式微处理器

EMPU的基础是通用计算机中的CPU。将与标准微处理器有着同样功能的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,大幅度减小系统体积和功耗,且提高了在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面的性能。

目前PC和Windows技术已经很普及,其软硬件资源的强大为研制应用于设备或工程的PC嵌入式系统提供了很多有利条件。PC嵌入式系统应用有着开发周期短、费用少等优点,当前主要应用在在如人机界面产品、物流管理商业和金融等对事务管理要求较高的产品开发方面,并且PC嵌入式系统还融合了MCU和DSP技术,所以32位以上PC嵌入式系统等高端产品,后劲很足。

1.3嵌入式数字信号处理器

目前,数字信号处理已经成为信号处理技术的主流。配合数字信号处理出现的是一种嵌入式处理器,即DSP处理器。

相对于通用处理器,DSP采用哈佛结构,程序和数据具有独立的存储空间,有着各自独立的程序总线和数据总线,指令系统是流水线操作且采用了专用的硬件乘法器。

DSP对系统结构和指令的特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。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应用正从在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。目前主要应用于移动电话手机、便携式数字声音播放器等方面;另外,DSP处理器还可应用于需要进行大量复杂运算的数据处理设备中,如声纳和地震探矿等。

1.4嵌入式片上系统

EDA技术的发展为芯片设计带来了很大的变革,它以硬件描述语言为系统的逻辑描述手段,以EDA工具软件为设计平台,以FPGA/CPLD等为硬件基础,可以开发出具有各种逻辑功能的芯片。随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展,嵌入式处理器出现了新的体系结构:SoC。

SoC技术,是一种高度集成化、固件化的系统集成技术,而且基于知识产权IP(IntellectualProperty)核来进行系统芯片设计。它的主要特征是采用超深亚微米工艺技术,使用一个以上嵌入式CPU/DSP,外部可以对芯片进行编程。从方法学的角度来看,SoC是一套VLSI的设计方法学,包括IP核可复用设计/测试方法及接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系统芯片验证和测试方法学。使用SoC技术设计系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统包括微处理器、ASIC、内存和外设等全部集成在一个芯片中,此种“多功能单芯片”模式,可以减小体积,降低功耗,精简对外管脚数,也有利于提高系统稳定性、可靠性及抗干扰能力。利用SoC可以大大地缩短应用系统设计开发周期,使那些传统观念上认为高性能、高复杂度、高成本的嵌入式结构,能够通过低成本的单片芯片实现。

2嵌入式处理器的发展

嵌入式微处理器大量应用于PC机。嵌入式微控制器是嵌入人式系统芯片的主流产品,其品种多数量大,一般年产量可达50亿片(主要产于美国、日本、欧洲、台湾地区)。嵌入式数字信号处理器发展速度很快,具有和MCU融合的趋势。嵌入式片上系统(ESoC)和嵌入式可编程片上系统(EPSoC),即系统芯片是今后主要发展方向,符合嵌入式系统定义,是计算机技术、通信技术、消费类电子产品三者相融合,并加入了网络技术。随着半导体技术发展,嵌入式芯片将在各类系统得到应用,成为IT主流,目前我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。

国际上有一种新的趋向,即可以购买IP知识产权核模块,在现有的IC电路模块的设计的基础上,可根据需求将多个IP模块组合起来或经修改形成新的设计。此类应用尤以ARM最为典型,半导体厂商大多可生产ARM的衍生产品。

3新趋势

以软硬件协同设计、具有知识产权的内核(IP核)复用和超深亚微米技术为支撑的SoC已成为集成电路发展的一大趋势。由于信息处理的复杂度,使得SoC芯片必须具备强大的数据处理能力,嵌人式CPU或DSP的使用将成为SoC的一个重要标志。事实上,一个SoC芯片上集成有一个或多个的微处理器,在今天的集成电路设计中已不少见,但这也给SoC的设计带来了极大难度。因此,采用第三方的IP核成了SoC设计的必然,这不仅可以减小自己的开发风险,更重要的是缩短了SoC芯片的上市周期,以应对激烈的市场竞争。另外,为了解决单纯通过提高时钟速率提升性能的方式带来极大功耗的问题,当前市场主流的方法即采取多核处理器架构。

4结束语

目前嵌入式系统的应用已经渗入到国民经济的各个方面,在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。在3G、数字电视普及的时代,在网络领域设备不断更新发展以及制造业、传统产业装备智能化需求下,嵌入式技术已经成为近年来IT领域发展最快的方向之一,嵌入式软件产业现已成为中国IT产业中的一个重要新兴产业和增长点。国内强大的电子信息产品制造业和巨大的信息化市场为嵌入式产业的发展提供了重要的机遇。

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