隨著計算與通信的融合、計算的無處不在和多媒體信息隨手可得的世界信息化發展大趨勢的日益明朗，嵌入式系統得到了前所未有的蓬勃發展。

    近幾年來，嵌入式系統和嵌入式技術的國際會議、國內會議、學術論壇或半導體廠商的展銷活動逐年增多。微軟、Intel、TI、IBM、SUN等信息產業的知名廠商都針對新興的嵌入式系統市場投入巨資進行研究與開發，推動著嵌入式應用的發展。

    如何順應潮流，如何使嵌入式系統為多媒體信息隨手可得的目標、為我國傳統產業的技術改造做出更大貢獻？關鍵是要開拓創新思路、挖掘潛在市場、掌握嵌入式系統設計的技術和方法，提高嵌入式系統的開發效率和質量，縮短產品進入市場的周期，推動我國嵌入式系統產業的發展。

    結合目前我們正在進行的機載與星載的合成孔徑雷達實時成像處理系統的研究與開發工作，本文就嵌入式系統設計、開發的有關問題進行綜述與大家共享。

    1.1　什么是嵌入式系統

    嵌入式計算機系統就是將用戶所需的功能嵌入到產品、裝置或大型系統中的計算機系統，通常稱為嵌入式系統。嵌入式系統的數量遠遠大于PC, 據世界半導體貿易統計協會(WSTS)統計，2001年PC處理器只占世界處理器市場總數的6%，而嵌入式微處理器則占94%。所以世界上占大多數的計算機不是PC而是不帶鍵盤、鼠標和顯示器的嵌入式系統，是一些隱藏在各類產品中的計算部件或很小的芯片。

    1.1.1　嵌入式計算機和通用計算機

     由于實際情況的變化，沿襲多年按照計算機的體系結構、運算速度、結構規模、適用領域等屬性將計算機分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微計算機，并以此來組織學科和產業分工的分類方法，已經不再適用。在日新月異的計算機工業中，在計算機技術和產品對其它行業進行全面滲透的大趨勢下，以應用為中心的分類方法變得更為切合實際。于是，有人按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將計算機分為嵌入式計算機和通用計算機。

    1.2　嵌入式計算機的演變

    嵌入式計算機經歷了從單片計算機、工業控制計算機、集中分布式控制系統，進而發展到嵌入式智能平臺的幾個發展階段。從獨立單機使用發展到聯網設備。從以模擬電路為主發展到以數字電路為主、數?；旌闲?，進而進入全數字時代。

    1.3　嵌入式系統發展趨勢

    總的來說，嵌入式系統向著更高性能、更小體積、更低功耗、更廉價、無處不在的方向發展。嵌入式系統的設計和實現朝著基于芯片，特別是系統級可編程芯片（SoPC）的方向發展。為了降低研制難度，常采用融微處理器技術、數字信號處理技術、可編程系統級芯片設計和軟硬件協同設計技術于一體的基于嵌入式智能平臺的嵌入式系統的設計方法。這樣可以提高嵌入式系統的開發效率和質量，縮短產品進入市場的周期。

    總之，嵌入式系統覆蓋的范圍十分寬廣，計算所正在研制的機載和星載合成孔徑雷達實時成像處理系統對體積、重量、功耗有嚴格要求。它的處理速度要求達到幾百億次到上千億次，星載系統尚需滿足抗輻照等航天環境的要求。為了滿足應用的苛刻要求，我們采取的方案之一便是基于百萬至千萬門數量級的SoPC（系統級可編程芯片）來設計我們的系統。這是高端嵌入式系統的典型例子。家電設備的智能遙控器，一般只需一個低檔的8位單片機就可實現，是一種低端的嵌入式設備的例子。 

     2　嵌入式系統的機遇和挑戰

    2.1　嵌入式系統的戰略目標

     在計算機技術和產品對其它行業進行全面滲透的大趨勢下，嵌入式系統作為IT產業新崛起的一個嶄新分支，正在全球范圍內迅猛發展。它的出現是微處理器技術、超大規模集成電路VLSI技術、網絡通信技術、嵌入式軟件技術相結合的產物。嵌入式系統把全球產業成果帶入社會生產生活的各個領域，為各行業產品提供具有行業個性化特點的智能平臺，為高科技在生活中的實用化建起了"應用"的橋梁。 作者認為，嵌入式系統的戰略目標是要實現多媒體信息隨手可得。

    2.2嵌入式系統市場機遇

    嵌入式計算機系統行業近年來發展迅猛。根據美國嵌入式計算機知名廠商Win System在RTC專業雜志上的預估，在未來10年內嵌入式計算機系統市場將有10倍于臺式計算機的市場機會。

    據IDC預測，嵌入式智能平臺年增長率將達15%，1998年嵌入式智能平臺市場的規模是126.5億美元，2000年市場規模是250億美元，2001年增加到311億美元。

    嵌入式系統市場機遇，其無處不在的應用前景和良好的發展趨勢已引起了全球IT業眾多廠商及廣大消費者的關注。Intel公司將嵌入式芯片列入了它的主要產品系列，TI公司以2.5代及第3代手機為應用目標推出了開放式多媒體應用平臺( OMAP )，微軟公司推出了WinCE和.net戰略。各大廠商的介入加劇了嵌入式系統領域的競爭?！⊥瑫r，一些廠商還與高等院校和科研機構結成了合作聯盟。例如，今年6月27日，在微軟總部召開的Windows 嵌入式系統高校及科研機構開發人員大會上，來自25個國家及地區包括北京大學和臺灣清華大學在內的77所大學獲得了Windows 嵌入式系統創新優異獎。該獎項是由微軟研究院大學關系部和微軟 Windows 嵌入式系統高校合作計劃（Windows Embedded Academic Program - WEMAP）共同頒發的。通過WEMAP計劃，世界各地高校的教學和科研人員可以免費訪問Windows 嵌入式系統的源代碼、獲得開發工具及對項目開發的支持。微軟還通過舉辦Windows 嵌入式系統高校及科研機構開發人員大會，使學術界人士可以更方便、迅速地了解Windows嵌入式系統家族 -- 包括Windows CE、.NET及Windows XP嵌入式系統的更多技術細節。來自世界各地80多個大學的教授和博士生參加了本次大會。微軟亞洲研究院院長張亞勤強調：“隨著越來越多的智能設備進入我們的生活，嵌入式系統的發展速度隨之繼續加快，預計未來五年內其需求將達到一個高峰期。這無疑是中國軟件產業發展的重要機遇之一。我們將繼續深入與國內各高校及科研機構在嵌入式系統教學及研究方面的合作與交流，從而進一步提高基于Windows CE 和.NET的開發及應用水平。”

    2.3　嵌入式系統面臨的挑戰

    嵌入式系統實際上是以專用的計算機為核心的專用系統。其特點是面向用戶、面向應用、面向產品，軟、硬件量體裁衣，滿足行業應用個性化的要求。為此，需要針對專門的應用領域，進行優化設計來滿足特定行業對高性能、低成本、低功耗的特殊要求。

    嵌入式應用的瓶頸在于人們的想象能力和嵌入式系統的設計開發能力。嵌入式系統的設計要求設計人員必須精通、熟悉應用系統，對應用需求有深入的分析和理解，所設計的產品必須滿足環境、性能、成本的苛刻要求。同時，要有優于競爭對手的新穎特點和短的進入市場的時間，以保證從激烈的市場競爭中勝出。

    3　嵌入式系統應用舉例

     嵌入式系統由于自身特點一旦進入各行業的市場，會具有較長的生命周期。嵌入式系統在應用數量上遠遠超過了各種通用計算機。嵌入式系統目前已廣泛應用于通訊、網絡、金融、航天、航空、消費電子、軍事裝備、儀器儀表、制造業控制等領域，有人將其應用按行業歸納如下：

    行 業　　　　　　　　　　　應 用 項 目

    金融、商業　　　　　　　ATM機、銀行自助查詢終端、POS機等

    通訊、網絡：　　　　　　防火墻、VPN、VoIP、程控交換機、GPS等

    航天、航空：　　　　　　宇航控制器、火箭制導、雷達成像器、載人飛船模擬試驗

    消費電子：　　　　　　　TV, VCRs,照相機,安全系統、視頻游戲機、PDA、彩票機等

    軍事裝備：　　　　　　　軍用通信便攜機、車載火炮發射控制器等

    儀器儀表、醫療：　　　　信令分析儀、心電測量、彩色B超、CT等

    制造業控制系統：　　　　大型油田、煤礦、核電站、鋼鐵廠、港口控制等

    4　基于平臺的嵌入式系統設計方法----嵌入式智能平臺[1]

     4.1　嵌入式智能平臺的產生

     為了應對嵌入式系統的激烈競爭，加快產品進入市場的步伐，縮短產品開發周期，一些嵌入式系統的制造廠商和一些半導體芯片生產廠商針對嵌入式系統的應用特點與行業的特殊需求推出了多種嵌入式智能平臺（ EIP ）。

    4.2　EIP技術

    EIP （Embedded Intelligent Platform，嵌入式智能平臺）是以計算機和信息技術的發展為基礎的。通用計算機具有計算機的標準形態，通過配置不同的應用軟件，以類同面目出現并應用在社會的各個方面，其典型產品為PC；而嵌入式計算機通常指符合某種工業標準的單板計算機，并且強調能適應于各種工作環境，可嵌入更多應用的產品。因此嵌入式計算機是具有多品種、小批量特點的產品，產業進入的門檻較高。同時由于它已經不再具有計算機的標準形態，所以一些主流工業控制計算機廠商更愿意將其定義為嵌入式智能平臺（Embedded Intelligent Platform），簡稱EIP。

    4.3　EIP的構成

    嵌入式智能平臺一般包含有處理器、高速緩存、FLASH、DRAM控制器、DMA（Direct Memory Access-直接內存存?。┛刂破?、PCI（Peripheral Component Interconnect:外部設備互連）控制器等，以及一套開發系統。用戶利用開發系統提供的開發工具進行編程，便可以在EIP的基礎上增添專用功能或針對應用的特定要求進行系統優化和性能評估，開發出嵌入于產品、裝置或大型系統中的嵌入式計算機系統。

    嵌入式智能平臺的引入降低了一般嵌入式系統的開發難度，開發成本，縮短了產品的開發周期。

    處理器是EIP中的核心，常見的處理器由單處理器或雙處理器構成。以基于分組網絡技術(如VoIP-Voice over Internet Protocol和基于數字用戶線的語音技術)的網絡應用的EIP為例，傳統的單一結構處理器很難滿足這些復雜網絡處理任務需求，而同時結合RISC（精簡指令集）處理器和用于信號檢測及噪聲消除的數字信號處理器(DSP)的混合結構可以滿足這些要求。一個典型VoIP系統使用一個RISC處理器來實現網絡協議處理，執行位和字節操作以實現包頭和路由信息解碼、數據打包，并處理順序標記以使信息包能正確實現聲音回放。同時，系統還需要一個DSP來實現回聲消除、噪聲抑制和說話方的音調檢測。在將信息打包之前DSP還執行靜音檢測和語音壓縮，以及執行解碼和解壓這樣的反向操作。滿足這些多樣要求的傳統方案是采用雙處理器。RISC處理器用于連接數字網絡，用作協議處理引擎和網絡管理器，同時也能處理主系統控制和用戶接口；DSP與脈沖調制編碼接口相連接，用于語音壓縮及解壓等功能。

    盡管上面的雙處理器方案原理上完全可行，但其明顯的缺點是兩個處理器增加了成本，因為每個處理器有它自己的存貯器和外圍器件，每個處理器也需要自己的設計工具鏈，以及近乎獨立的軟件開發工作。此外，兩個處理器之間的數據交換，必須采用一些公用的雙口RAM（隨機存取寄存器）或FIFO（先進先出）存貯器為作兩個處理器之間的緩沖器，或采用一個復雜的軟件握手協議來控制數據交換。

不僅如此，該方案對于一些小型應用而言是大材小用。網絡數據率決定了RISC處理器能夠運行并保持的時鐘速度，但實際上，在對單信道的數據處理中大多  數時間RISC處理器都處于空閑狀態。在大型系統中，RISC處理器能處理多個信道的數據流，而每個信道都有其自己的DSP，在小型系統中，多余的RISC處理器性能被浪費掉，因為其所需要的數據處理還不能充分利用DSP的性能。

于是對一些小型應用出現了單處理器方案：有在RISC處理器上擴展DSP功能的；也有在DSP上擴展RISC功能的；也有針對應用需求定制處理器（采用ASIC技術）的，但是，這種方法既費時、技術要求高、又費錢。

為了使性能價格比，目前，出現了一種可擴展處理器?？蓴U展處理器的主要優點是使用統一的存貯器和單一的軟件開發環境，比傳統的雙處理器設計具有更低的成本。此外，由于在內部實現定制，即允許用戶根據應用的特點擴充特定的指令，所以此類處理器還能實現知識產權保護。然而，在選擇采用可擴展處理器之前，　設計工程師必須完全了解應該向指令組中增加什么內容以充分利用這一結構的優點。目前這類處理器包括Tensilica公司的Xtensa和ARC International公司的ARCtangent。

    4.4　EIP行業發展與特點

　 ·充滿機遇和挑戰

    嵌入式智能平臺行業近年來發展迅猛，根據美國嵌入式計算機領導廠商Win System在RTC專業雜志上的預估，在未來10年內嵌入式智能平臺市場將有10倍于桌上型計算機的市場機會。據IDC預測，嵌入式智能平臺年增長率將達15%，1998年嵌入式智能平臺市場的規模是126.5億美元，2000年市場規模是250億美元，2001年增加到311億美元。可以講，凡是需要嵌入智能處理、計算的應用，都是 嵌入式智能平臺的市場。

   ·技術不斷更新

    嵌入式智能平臺EIP是當今全球信息產業的熱門，是二十一世紀計算機進入生活的發展方向。目前尚無更先進的替代技術及產品，行業本身的技術更新迅速，主要體現在隨著計算機技術、超大規模集成電路技術、軟件技術的逐日發展，應用領域的擴展，新的EIP產品不斷被開發并迅速推向市場。

    ·行業壁壘較高

    開發EIP產品不僅需要掌握計算機、通信以及軟件領域等多方面關鍵技術，具備豐富的產品開發、生產管理經驗，而且對產品的目標行業應用知識要有深刻的理解。上述因素使得作為EIP市場的競爭主體，要經歷長期開發和生產經營實踐的逐步積累、豐富的行業應用經驗，才能形成競爭優勢。因此該行業具有較高的進入壁壘。

    ·部分關鍵零組件仍需依賴進口

    這主要針對我國EIP廠商而言。目前我國EIP生產所使用的部分關鍵零部件，如中央處理器及超大規模集成電路等仍須依賴美國、日本等廠商供應。此類零部件的市場供需狀況及價格波動均會對EIP行業直接產生影響。隨著中國加入WTO，IC進口的零關稅將有助于降低產品成本。

    ·我國EIP產業發展狀況

    嵌入式智能平臺屬當前國家重點扶持的信息產業。近幾年國務院和相關部委陸續頒布了一些對推動EIP行業發展有影響的重要政策文件，包括：《信息產業"十五" 計劃綱要》、《當前國家重點鼓勵發展的產業，產品和技術目錄》、《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》、《計算機與網絡產品"十、五"專項規劃》和《儀器儀表行業"十、五"規劃》等。

    同時，國家將運用高新技術和先進適用技術改造提升傳統產業，包括以電子信息技術應用為重點，提高傳統產業生產過程自動化，控制智能化和管理信息化水平；以先進制造技術應用為重點，推進制造業領域的優質高效生產，振興裝備制造業；改造提升重點產業的關鍵技術、共性技術和相關配套技術水平、工藝和裝備水平。這些都對促進EIP行業及市場發展具有積極的意義。