嵌入式系统产业化发展―市场、技术与前景
责任编辑:lng    浏览:2729次    时间: 2008-01-31 08:32:26    | 来源:采集所得   

摘要:1 前言 21世纪以来,我国嵌入式系统发展的明显特点是:嵌入式系统的发展正从嵌入式系统技术走向嵌入式产业,“3C”融合和IT技术大融合加速嵌入式系统产业化进程,嵌入式系统是中国厂商从“中国制造”向“中国创造”转变的最佳契机。2 市场需求为嵌入式系统产业化发展..

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1  前言

 

        21世纪以来,我国嵌入式系统发展的明显特点是:嵌入式系统的发展正从嵌入式系统技术走向嵌入式产业,“3C”融合和IT技术大融合加速嵌入式系统产业化进程,嵌入式系统是中国厂商从“中国制造”向“中国创造”转变的最佳契机。

 

2  市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力

 

        嵌入式系统的市场是巨大的,市场需求是嵌入式系统产业化发展的巨大推动力。据报告,10%20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的,80%90%的计算机芯片是为嵌入式设备设计的,这意味着每年有10亿至20亿个CPU是为嵌入式设备设计制造的。

 

        2003年,全球嵌入式系统产品的产值已达2000亿美元,估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过10 000亿美元。世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。

 

        随着计算机软件和集成电路技术的发展,嵌入式系统产品日益完善,在航天、航空、交通、网络、电子、通讯、金融、智能电器、智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数控机床、掌上型电脑、各种智能IC卡,第二代身份证验证、公共交通收费系统、医药系统以及军事等领域得到广泛应用,已成为我国“信息化带动工业化,工业化促进信息化”发展的国民经济新的增长点。在我国仅嵌入式软件产品就达到600多亿元,占2003年全部软件产值的三分之一还多。据调查显示,目前嵌入式系统涉及的领域中,PDA30%,手机占18%,数字信息家电占21%,工业控制占5%,服务行业占2%,交通系统占2%,其他占22%

 

目前最值得关注的嵌入式产品市场主要有如下几类:

(1)  家庭信息网络

        PC时代,家用电器将向数字化和网络化发展,电视机、微波炉、数字电话等都将嵌入微处理机并通过家庭网关与Internet连接,构成家庭信息网络。届时,人们可以远程控制家里的电器设备,可以实现远程医疗、远程教育,可以视频点播,实现交互式电视,还可以提供各种网上服务等。

 

        不论是高度集成的智能数字终端,还是各类数字融合产品,都离不开嵌入式系统的支持,可以说,嵌入式系统是家庭信息网络、IT融合的重要技术基础。具有丰富功能,高度集成的智能数字终端将是未来的发展方向。智能数字终端和各类数字融合产品具有十分广阔的市场前景。

 

(2)  移动计算设备

        移动计算设备包括手机、PDA、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大的手机用户,而掌上电脑或PDA由于易于使用、携带方便、价格便宜,未来几年将在我国得到快速发展。PDA与手机也已呈现融合趋势。使用掌上电脑或PDA上网,人们可以随时随地获取信息。

 

        智能手机是今后的发展方向,可以说智能手机就是一台嵌入式系统。智能手机要存放更多的软件和各种大容量的多媒体文件,必定要有操作系统,目前智能手机操作系统主要有微软公司的Smartphone系统和Symbain公司的Symbain Os系统。 Symbain公司多年来专注于手机操作系统的开发,已经获得诺基亚、爱立信、索尼、松下、西门子等众多厂商的支持,它们大都在或将生产基于Symbain Os系统的智能手机产品,其手机产量占全球的70%以上。Symbain公司统计,截止到2004年第一季度,除了已发布的终端外,还有30Symbain终端在开发中。采用Symbain Os系统的智能手机功能异常强大,为这个平台开发的JAVA程序已经在互联网上盛行。通过安装这些软件,可大大扩展手机的功能。

 

(3)  网络设备

        各种网络设备包括路由器、交换机、Web Server、网络接入网关等,都是一类嵌入式系统。

 

        IP嵌入到一个芯片之中的关键问题,既包括设备终端技术,也包括设备网关技术。嵌入式IP技术是嵌入式Internet中的一个基本问题,设备的功能性和可靠性紧密依赖于嵌入IP的芯片和基于TCP/IP的协议栈软件。TCP/IP的协议栈软件在设备级是一个非常重要的问题,它完成了现场级设备、网关和骨干网络之间所有信号协议的处理。

 

        大多数嵌入式IP制造商没有能力在独立系统环境内开发嵌入式协议软件,需要为这些嵌入式IP制造商提供一些简单的工具乃至现成产品,Webit系列产品较好地解决了嵌入式Internet设备的接入和控制问题。Webit被称为“世界上最小的WWW服务器”。

 

        随着下一代Internet的研发成功和投入使用,必然要有更多更强的嵌入式网络设备和产品面世,这意味着巨大的嵌入式网络设备和产品市场需求。

 

        嵌入式系统也在向无线网络WLAN发展,无线网络WLAN已开发集成式802.11芯片组。无线嵌入式网络有望部署到住宅及商用建筑自动化、工业设备监测以及其他无线传感和控制应用中。ZigBee联盟正在为低成本、低功率的无线嵌入式网络制定标准。这项标准定义了在IEEE 802.15.4标准媒体接入控制层和物理层上的网络及支持的应用服务。这项标准很适合照明、供暖、冷却控制、工业建筑、自动化以及医疗设备监测等方方面面的应用。ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本的嵌入式基础架构。

 

(4)  自动化与测控仪器仪表

        测控仪器仪表种类繁多,每年光进口的医疗设备就上亿,每个医疗设备就是一套嵌入式系统。测控仪器仪表更是遍及大中小企业,新型的测控仪器仪表无一不是嵌入式系统。在工控和仿真领域,嵌入式设备也早已得到广泛应用。嵌入式系统在自动化行业已有很多成功应用案例,如数控机床控制系统、面向啤酒行业控制系统、水厂控制系统、缝纫机控制系统、可燃性气体报警系统、智能建筑安防系统、自动生产线分部式控制系统、变电站自动化系统、自动生产线检测系统等。我国的工业生产需要完成智能化、数字化改造,智能控制设备、智能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了巨大的市场。

 

        工控、仿真、数据采集、军用等领域一般都要求实时操作系统支持。在金融业、电力系统和服务业,嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。

 

(5)  交通电子与嵌入式系统

        在交通系统,嵌入式的作用也日益重要。汽车智能驾驶设备、汽车模拟驾驶器、汽车喷油泵调试台、轮船智能驾驶设备等都面临更新换代。这类新型设备也都离不开嵌入式系统。我国汽车业的发展必然为汽车电子的嵌入式系统应用带来良好商机。

 

        嵌入式系统在交通指挥系统、高速公路收费监控、汽车自导航、GPS车载终端、电子警察和汽车检测中的应用都是非常广泛的,有良好的市场前景。

 

3  学界热切关注核心技术为嵌入式系统发展提供有力保证

 

        嵌入式技术是中国厂商从“中国制造”向“中国创造”转变的最佳契机。学界热切关注嵌入式系统核心技术,为嵌入式系统发展与转变提供强有力保证。21世纪来,学界关注嵌入式系统核心技术发展及其产业化的热情空前高涨。

 

        2004923日,科技部高新技术发展及产业化司会同大唐电信科技股份有限公司在北京举办国家“十?五”863计划超大规模集成电路设计专项重点课题“面向通信的综合信息处理SoCSystem on Clip,片上系统)平台”的技术成果与产品发布会。集成电路是信息产业的基础,系统整机应用的需求与芯片制造技术的发展使得系统芯片SoC 的研究与开发成为当今集成电路芯片设计的热点。由大唐电信科技股份有限公司承担的“面向通信的综合信息处理SoC 平台”课题综合了未来通信整机产业各项技术的发展趋势,率先提出并倡导多处理机协同运算、可再编程、可再配置的SoC 设计平台,在一个芯片上集成了高性能的嵌入式中央处理器和数字信号处理器,运算能力最高可达每秒5亿条指令。目前,大唐电信科技股份有限公司已推出了应用该SoC 的手机、可视智能电话和其它消费类电子产品。

 

        2004年举办的嵌入式系统研讨会(ESC-China 2004),与会观众达到2万余人。PHILIPSSAMSUNGSharp MicroelectronicsAgilent Technologies EPSON等一流的供应商和技术提供商,都在展会期间的研讨会、论坛和厂商技术讲座上展示自己的最新技术。

 

        中国计算机学会微机专委会举办了2004年全国第五届嵌入式系统学术交流展示会及中国嵌入式系统论坛,研讨会规模空前,研讨内容深入广泛。

 

        信息产业部和民政部批准了中国软件行业协会申请成立嵌入式系统分会的报告。2004916日,中国软件行业协会嵌入式系统分会正式成立。

 

        21世纪来,大学、研究院、高新技术开发区纷纷建立嵌入式系统重点实验室,北京市建立了嵌入式系统重点实验室,致力于无线LAN802.11b/a/gVoIP以及H.264平台的开发。它们的核心技术是基于SoCARM实现的DSP技术,同时实验室还将开发多种与之相关的IP技术。北京市嵌入式系统重点实验室是一个全新的大型的、先进的嵌入式系统实验室,致力于为北京市乃至国家培养嵌入式系统设计工程师。

 

        2004821日,由山东大学与海信集团共同成立的山东大学海信研究院在海信正式揭幕,双方成立山东大学海信研究院,在人才、项目、技术等方面实现共享。海信数码产品公司是目前我国第一家定位于“3C”融合的企业。

 

        2004年世界嵌入式系统大会的召开,也充分表明国际学界对嵌入式系统技术和产业的重视和关注。

 

4  嵌入式系统核心技术发展迅猛,日臻成熟

 

4.1  嵌入式系统设计百花齐放

        嵌入式系统设计的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行的体系结构有三十几个系列。根据其现状,嵌入式系统设计模式主要有下面几类:

?  基于ASIC(专用集成电路)的嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit EMPU)

        ASIC(Application-Specific Integrated Circuit,专用集成电路)是在一个芯片上定制设计的硬件。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中,将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,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了种种增强。

和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点,目前16位和32CPU ARM系列是嵌入式系统应用的主流微处理器。

 

?  DSP系统(Digital Signal Processor,数字信号处理器)

        DSP系统是一种类似于微处理器的的设备,不同的是它内部的CPU被优化,用于特定的应用,如离散信号处理。除了标准的微处理器指令外,DSP常常支持复杂指令集去非常快地完成通用的信号处理计算。

 

        DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,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。嵌入式DSP处理器有两个发展来源,一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器,TITMS320C2000 /C5000等属于此范畴;二是在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器,例如IntelMCS-296Infineon(SIEMENS)TriCore

 

    推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化,例如各种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带有加解密算法的键盘、ADSL 接入、实时语音压解系统、虚拟现实显示等。这类智能化算法一般运算量较大,特别是向量运算、指针线性寻址等较多,而这些正是DSP 处理器的长处所在。

 

    嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas InstrumentsTMS320系列和MotorolaDSP56000 系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列、移动通信的C5000系列,以及性能更高的C6000C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000DSP56100DSP56200DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.L DSP处理器,特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元,应用目标是大批量消费类产品。

 

?  SoC系统

    随着VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临,这就是SoC。各种通用处理器内核将作为SoC 设计公司的标准库,和许多其它嵌入式系统外设一样,成为 VLSI设计中一种标准的器件,用标准的 VHDL等语言描述,存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统,仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样,除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去,应用系统电路板将变得很简洁,对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

 

?  基于现场可编程逻辑器件FPGAField Programmable Gate Array)的嵌入式系统设计

    可编程片上系统设计是一个崭新的、富有生机的嵌入式系统设计技术研究方向。嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业。虽然ASIC的成本很低,但设计周期长、投入费用高、风险较大,而可编程逻辑器件(Programmable  Logical Device)设计灵活、功能强大,尤其是高密度现场可编程逻辑器件,其设计性能已完全能够与ASIC媲美,而且由于FPGA的逐步普及,其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此,FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。

 

?  SoPC系统

    随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中,ASICFPGA之间的界限将越来越模糊,未来的某些电路板上可能只有这两部分电路:模拟部分(包括电源)和一块FPGA芯片,最多还有一些大容量的存储器。可编程片上系统SoPCSystem on Programmable Chip)的时代已经来到。

 

    可编程片上系统SoPC是一种特殊的嵌入式系统,首先它是片上系统SoC,即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次,它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。 SoPC结合了SoC FPGA各自的优点。

 

    SoPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容,除了以处理器和实时多任务操作系统(RTOS)为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外,SoPC还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。

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