嵌入式毕业论文：嵌入式系统的应用
嵌入式系统是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，它的定义是：“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被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。
嵌入式系统的应用前景是非常广泛的，人们将会无时无处不接触到嵌入式产品，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等。在家中、办公室、公共场所，人们可能会使用数十片甚至更多这样的嵌入式无线电芯片，将一些电子信息设备甚至电气设备构成无线网络；在车上、旅途中，人们利用这样的嵌入式无线电芯片可以实现远程办公、远程遥控，真正实现把网络随身携带。其应用领域可以包括：
1．交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。2．家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。
3.POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。
4.环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。
5.机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。
6.工业控制：相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。从最初的单片机到现在的工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。工业设备是机电产品中最大的一类，在目前的工业控制设备中，工控机的使用非常广泛，这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备，其中以X86的MPU最多。工控的要求往往较高，需要各种各样的设备接口，除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要求8位的单片机是无法满足的，以前多数使用16位的处理器，随着处理器快速的发展，目前32位、64位的处理器逐渐替代了16位处理器，进一步提升了系统性能。采用PC104总线的系统，体积小，稳定可靠，受到了很多用户的青睐。不过这些工控机采用的往往是DOS或者Windows系统，虽然具有嵌入式的特点，却不能称作纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面，则是各种嵌入式处理器的天下。这些控制器往往采用16位以上的处理器，各种MCU，Arm、Mips、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源，可以通过它们实现数据采集，数据处理，通讯以及显示（显示一般是连接LED或者LCD）。最近飞利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器，适用于工业控制，采用最先进的0.18微米CMOS嵌入式闪存处理技术，操作电压可以低至1.2伏，它还能降低25%到30%的制造成本，在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国TERN工业控制器基于Am188/186ES、i386EX、NEC V25、Am586(Elan SC520)，采用了SUPERTASK实时多任务内核，可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业控制与工业自动化设备以及其它需要控制处理的设备。
7.家电行业是嵌入式应用的另一大行业。现在只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求，具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。据IDG发布的统计数据表明，未来信息家电将会成长五至十倍。中国的传统家电厂商向信息家电过渡时，首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面，进行智能信息控制并不是很高的要求，目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求，真正的难点是如何使软件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。Linux核心可以起到很好的桥梁作用，作为一个跨平台的操作系统，它可以支持二三十种CPU，而目前已有众多家电业的芯片都开始做Linux的平台移植工作。1999年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人一个数字家庭的概念，引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来，虽然最终未能获得成功，却使信息家电深入人心。如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片，英特尔公司已专为信息家电业研发了名为StrongARM的ARM CPU系列，这一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片组，它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能，即硬件系统实现了SOC的概念。美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上，这是第一次把Linux、图形界面和一些程序进行完整移植（QUARK的内核只有143K），它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在不久的将来，数字智能家庭必将来到我们身边。
1. 嵌入式操作系统的概念。
嵌入式操作系统是指将应用作为核心, 以计算机技术为基础, 实行软件可编程化, 对硬件可以进行重构、剪裁的计算机操作系统。该操作系统一般嵌入到对象环境中, 并对外界物理数据进行采集、处理;还可以根据对象环境的需要进行特定的程序设定, 实现人对控制对象的控制或人机交互等功能。
2. 嵌入式操作系统软件的特点。
嵌入式操作系统的基本特征是应用的底层性和对象的耦合性。以尽可能满足对象数据的控制、采集、功耗、开发环境、可靠性以及适应能力等作为嵌入式操作系统的选择标准。而笔者所在的单位, 研究的嵌入式操作系统属于资源有限、实时性要求较高、专用性强的应用控制系统。所以, 在软件方面的设计、实现手段上, 和PC及其他同类软件有很大的不同, 主要表现在以下方面。
(1) 实时性的控制方法不同。PC软件主要通过提升处理器的性能来提高速率, 除外还在动态分配、缓存方案等技术方面有所体现。但如果嵌入式操作系统使用这些技术就会出现工作频率低、硬件资源不足等问题, 降低了系统的安全稳定性。
(2) 异构特征不同。在设计嵌入式操作系统的控制软件时, 不仅要对硬件的固有部分进行考虑, 还要考虑系统以外的各类通讯、专门让传感器使用的信号处理接口、执行机构的异步处理并发事件的能力及不同控制对象的实施期望。所以, 不一样的硬件系统或控制目标在系统构建方面会有不同的方案。
3. 系统性能指标不同。
嵌入式软件的编写要考虑硬件系统匹配的功耗、故障恢复、高可靠性、不间断运行等方面的制约条件, 以便达到在特定应用环境下的实时性响应、控制功能等要求。所以, 在借鉴通用软件技术、规范软件开发过程和遵守软件工程理论的基础上, 要根据嵌入式操作系统的特征开发新的算法和技术结构提高开发率, 保证系统软件的可靠性、稳定性、易维护性、可移植性和复用性。
二、嵌入式操作系统的应用
1. 嵌入式操作系统软件的应用状况。
(1) 嵌入式操作系统的应用增加了嵌入式操作系统软件的比重, 使应用程序所占比重越来越大, 解决了软件开发标准难统一的问题, 为开发软件程序、程序档案的组织管理、应用程序接口等, 找到了新的解决方法。所以, 在嵌入式操作系统平台基础上, 开发出的程序有非常高的可移植性。该软件的产品化和函数化增进了行业之间的交流, 避免了不必要的劳动重复, 使知识的创新效率得到了提高。
(2) 虽然嵌入式操作系统来自微型机时代, 但在短时间内就发展到了单片机时代。处于单片机时代中嵌入式系统, 凭着器件的形态快速地又发展到了传统电子技术领域里。
2. 嵌入式操作系统软件的应用领域。
(1) 3G领域。当前的电子产品和传统的工业嵌入系统的网络功能是一样的, 二者成为嵌入式系统的最大的两个市场, 而3G会为消费电子领域里的嵌入式操作系统提供更多的商机。
(2) 通信领域。综合了嵌入式计算机技术、通信技术、传感器技术以及信息处理的技术的网络通信, 可以随时随地进行监测、采集对象信息, 并对其处理, 得到准确详细的信息后, 将这些信息传给需要的用户。
(3) 家电领域。家电智能在IT企业和传统的家电企业的大力推动下, 使其的开发研究进入了一个新的层次。
(4) 网络安全。如今, 全球计算机都被因特网联到了一起, 计算机的信息安全也就需要更有效的保护措施, 而嵌入式的网络安全设施为其提供了比较好的解决办法。
(5) 身份识别技术。鉴定个人身份, 提高信息的安全成为当下必须解决的社会问题。使用嵌入式技术开发出身份识别产品, 保证了我国的信息安全、资源共享和国家的稳定发展。
三、嵌入式操作系统的发展趋势
目前, 我国的嵌入式操作系统主要适用在消费电子类产品 (数字机顶盒、音频播放器、游戏机、移动手持工具) 、汽车电器 (机动车行驶记录系统、防盗系统、GPS定位) 、医用电子产品 (监护仪、脉象仪、心电仪) 、网络产品、工业等领域, 并且需求量会迅速上升。尤其是在东北老工业基地的振兴政策中, 一定会引发投资热, 设备的改造热等现象, 这些产品会来更多的经济效益。
1、嵌入式系统是一种应用系统，它至少包含一个可编程的计算机[通常是某种形式的控制器、微处理器或数字信号处理芯片(DSP)]且使用该系统的人一般并未意识到该系统是基于计算机的。
操作系统是一种在计算机上运行的软件，它的主要任务是管理计算机上的系统资源。为用户提供使用计算机及其外部设备的接口。它存在的目的是为了管理所有硬件资源，并且提供应用软件一个合适的操作环境。嵌入式系统由于硬件的先天限制，经常只具有极稀少的硬件资源。如时脉较少的CPU、较少的内存、常不具有磁盘而用小容量的DiskOnChip或DiskOnModule。而在使用电池的系统中，它还要实现节省电池消耗，延长电池使用时间的功能。
2、最初的嵌入式设备是单一用途的，它们拥有各自独特的显示方式和用户界面；而今天它们变成了我称之为“等同PC”的系统。它们必须运行很多相同的应用程序，它们需要采用相同的方式实现互连或是在某些情况下增强互连性。因此你可以看到在传统的实时操作系统(RTOS)之上建立应用程序的必要性。作为内部开发(in-house developed)操作系统的替代方式，RTOS的出现使得建立嵌入式应用变得更加容易。Liuux还具有很好的可靠性。传统的RTOS通常不具备强大的内存保护功能，这使应用程序很容易被破坏。
二、嵌入式linux在工业控制领域中的应用
基于嵌入式linux的工控系统以嵌入式微处理器为核心来运行嵌入式Linux操作系统。应用程序可通过网络进行更新，并可通过键盘进行人机对话，数据可通过LCD现场显示，重要数据可用文件形式保存在Flash等闪存存储器中；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也以通过以太网向工业以太网或Inernet发布，用户还可通过网络实现远程监控和远程维护。更为关键的是，可充分利用Interact上已有的软件和协议(如：ftp，http以及Apache,PHP,MySQL等应用程序)迅速搭建前台数据采集系统，以实现测控系统和后台管理系统的通讯。
这种方式的优点有：
(1)不需专用的通信线路即可用现成的INTER-NET网络将数据传送到任何地方。
(2)不仅能够传递数据信号，也可以传递音频和图像信号。
(3)由于目前的INTERNET协议是现成和公开的，因此，利用大到几十兆的Microsoft IE浏览器，或小到只有600kB的Mosaic浏览器都可以对网络数据进行读取。
三、Linux操作系统在移动设备领域的优势
首先，Linux属于开放的操作系统，它自身的技术文档甚至源代码都是开放的，因而在学术领域受到格外青睐，使得它对新技术，新协议有良好的适应性，
其次，由于Linux和Unix之间的相似性，使得许多对Unix熟悉的开发人员能够很快在相似的基于嵌入式Linux开发环境中进行开发工作。另外，由于Linux源码的开放性使得代码移植和重用变得相当普遍，基于嵌入式Linux平台的开发产品往往只花费较低的成本就能有很好的质量。这对于注重开发成本的公司无疑具有极大的诱惑力。
四、结束语
在嵌入式应用的领域里，从因特网设备到专用的控制系统，Lin-ux操作系统的前景都很光明。所有新造的微型计算机芯片中大约有95％都是用于嵌入式应用的。由于Linux功能强大、可靠、灵活而且具有伸缩性。再加上它支持大量的微处理器体系结构、硬件设备、图形支持和通信协议，这些都使它作为许多方案和产品的软件平台越来越流行。
参考文献：
[1]邹思轶，Linux嵌入式设计与应用[M]，北京：清华大学出版社，2002
由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步，在工业控制和新兴的手持式应用等领域，用户体验成为产品成功的关键因素之一，越来越多的产品需要良好的用户界面、互联功能以及较强的数据处理能力，这对嵌入式处理器硬件、软件、教学等提出了新的要求。
嵌入式处理器与硬件
在处理器方面，目前大量的中、低端嵌入式应用，主要使用8/16位单片机。在国内，由于历史的原因，主要是以MCS51核为主的许多不同型号单片机，主要厂商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。还有一些近几年发展较快的新型单片机，如PIC、AVR、MSP430系列等。这些单片机各有特点，但从目前的发展角度来看，单片机针对特定应用领域的个性化发展愈发明显，典型的例子就是TI公司的MSP430系列16位单片机、ST公司的STM8L系列8位单片机和STM32L系列32位超低功耗单片机。
在嵌入式中的高端应用领域，像工业控制、POS机、网络设备、图像处理、手机、PDA等，目前主要使用ARMARM、MIPS、PowerPC、DSP等16~64位处理器，以32位处理器为主。各种类型的处理器都有其一定的应用针对性。例如，DSP对数字信号处理技术中用到的常用运算、算法做了优化设计，主要用于实时信号处理领域，如实时音视频处理、电机控制等。MIPS处理器性能很好，但功耗较大，适合于有交流电源供电的固定应用，如固定的网络设备、机顶盒等。ARM处理器性能高，功耗低，适合于用电池供电的便携、手持式设备。由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展，ARM处理器的增长速度和市场占有率也快速提升，成为目前32位应用中的主力产品。
由于嵌入式应用系统的广泛性，嵌入式系统的硬件设计涉及的知识面很广，从模拟到数字、低频到高频、小信号到大功率，以及复杂的时序逻辑设计和PCB设计，还要考虑软硬件资源的合理分配，不仅要有广而扎实的理论基础，更需要丰富的实践经验。只有对大大小小各种应用系统反复实战演练，了解新技术、新器件，使用过多种多样的处理器和模拟/数字器件，才能逐步积累，聚沙成塔，对一个新的应用系统给出快速、合理的硬件方案与设计。
ARM处理器的优势
对于如今大量出现的32位嵌入式应用，以笔者之见，ARM处理器的优势主要有以下几个方面。
2.1 高性能、低功耗、低价格
把ARM处理器的性能拿来和一些著名的通用处理器（如Pentium）相比是不合适的，因为他们各自针对的应用需求是不同的。Pentium处理器采用多条指令流水线的超标量结构，追求通用应用目标下的超强性能，功耗大，可以用散热器加风扇散热。ARM针对嵌入式应用，在满足性能要求的前提下，力求最低的功率消耗。ARM结构的优点是能兼顾到性能、功耗、代码密度、价格等几个方面，而且做得比较均衡。在性能/功耗比（MIPS/W）方面,ARM处理器具有业界领先的性能。基于ARM核的芯片价格也很低，目前ARM CortexM的芯片价格可低至10元人民币左右。
2.2 丰富的可选择芯片
ARM只是一个核，ARM公司自己不生产芯片，采用授权方式给半导体生产商。目前，全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买了各种ARM核，配上多种不同的控制器（如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等）和外设、接口，生产各种基于ARM核的芯片。目前，基于ARM核的各种处理器型号有好几百种，在国内市场上，常见的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等厂家的芯片。用户可以根据各自的应用需求，从性能、功能等方面考察，在许多具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。由于ARM核采用向上兼容的指令系统，用户开发的软件可以非常方便地移植到更高的ARM平台。
2.3 广泛的第三方支持
以如今的技术，设计一个处理器并非难事，但要使这个处理器得到大家认可，并取得市场成功却是非常困难的，其中涉及许多技术与非技术的因素和环节，还包括时机、运气。因为现在许多产品的开发，不是一个简单的处理器加几百条指令、语句就可以解决的。要用到32位处理器，一般都要有编译器、高效的开发工具（仿真器及调试环境）、操作系统、协议栈等，这些东西都不是一个芯片生产商可以解决的，而需要许多第三方的支持。这就像一粒种子，需要土壤、空气、水等环境才能发芽、成长。这也是我们的一些“中国芯”该反思之处。
ARM通过近20年的培育、发展，得到了广泛的第三方合作伙伴支持。目前，除通用编译器GCC，ARM有自己的高效编译、调试环境（MDK、Keil）,全球约有50家以上的实时操作系统（RTOS）软件厂商和30家以上的EDA工具制造商，还有很多高效率的实时跟踪调试工具的厂商，对ARM提供了很好的支持。用户采用ARM处理器开发产品，既可以获得广泛的支持，也便于和同行交流，加快开发进度，缩短产品的上市时间。
2.4 完整的产品线和发展规划
ARM核根据不同应用需求对处理器的性能要求，有一个从ARM7、ARM9到ARM10、ARM11，以及新定义的CortexM/R/A系列完整的产品线。前几年应用较多的主要是基于V4架构的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些处理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel 的AT91系列和Samsung的S3C系列。近两年，ARM Cortex系列以更好的性能、更低的价格得到快速推广，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。
ARM CortexM/R/A系列分别针对不同的应用领域。M系列主要面向传统微控制器（MCU/单片机）应用，这类应用面很广，要求处理器有丰富的外设，并且各方面比较均衡；R系列强调实时性，主要用于实时控制，如汽车引擎；A系列面向高性能、低功耗应用系统，如智能手机。选用ARM处理器进行开发，技术积累性较强，生命周期长，设计重用度高，不易被淘汰。用户在选择ARM处理器时，可以针对应用需求，从大量的ARM芯片中选用满足性能、功能要求的产品，以获得较好的性价比。
ARM嵌入式系统的软件
由于嵌入式系统的差异性很大，对不同的应用需求，必须选择不同的软件设计方法、开发平台和系统工具。
对于一些不需要复杂图形用户界面、通信协议和复杂文件操作（如同时打开多个文件）的应用，如果选用CortexM3核的处理器就已可以满足要求，任务数不多，任务之间的关系也不复杂，则不一定需要移植复杂的操作系统。这样一方面可以降低系统硬件开销，也可以获得更好的实时性和执行速度。不过，这样的软件开发方法需要开发人员有较好的程序设计思想，对所用器件有深入的了解，并掌握其编程控制方法。若引入一个简单的操作系统，如μC/OS，可以简化程序结构，但开发者最好熟悉其内核结构，并有使用经验，否则可能会需要更多的系统开发、调试时间。
如果选择了带存储器管理单元（MMU）的ARM处理器（如ARM920T、CortexA8等），这种应用系统根据应用、实时性、开发环境等因素，移植一个功能较强的操作系统一般情况下会比较合适，如Linux、WinCE，甚至新的Android等。这种系统的开发难度主要是在OS的移植以及硬件驱动程序的开发上。当这二步工作完成后，主要的软件开发工作已和在PC机上开发没有多大区别，可以按照一般的软件工程方法来进行，要注意的只是与ARM硬件平台相关的软件优化问题。
由于嵌入式系统硬件资源的有限性，嵌入式软件与其他应用软件的主要区别，在于嵌入式软件要有较高的效率，包括执行速度和存储空间，尽管这二者经常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度优化。要编写出高效的ARM程序，需要开发人员熟悉ARM的体系结构，包括内核结构、指令系统、Cache与存储器结构等，还要有好的程序设计思想，以及对一些常用函数、算法的深刻理解。这个过程也是ARM系统开发从低级到高级的进阶之路。
目前，由于应用系统越来越复杂，嵌入式软件的移植性和重用性也得到了人们的高度重视，因为它直接影响到嵌入式软件的开发效率和质量。选择一种通用的开发环境和高级编程语言，使开发的嵌入式软件可以方便地移植到不同的硬件平台，是实现软件重用的基础。目前在ARM嵌入式系统开发中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是较好的开发平台，C/C++语言是应用最广泛的编程语言，并具有广泛的库函数、程序支持，在今后很长一段时间内，仍将在嵌入式系统应用领域中占重要地位。
嵌入式系统的教学
如今，嵌入式系统作为一个热门领域，其教学问题也颇受高校的关注。教学的主要目的是培养社会需要的人，由于嵌入式系统的广泛性、差异性，社会对从事嵌入系统开发人员的要求也有很大的不同，既需要从事简单8/16位单片机开发的人员，也需要从事ARM、DSP开发的人员；既要有从事硬件、底层软件开发的人员，也要有从事OS移植、应用软件开发的人员。由于整个大学学习时间和课程教学时数的限制，一个人显然不可能学习、掌握嵌入系统开发的各个层面。所以，各个学校首先应根据自身情况，明确定位，确定自己培养学生的社会适应面，然后再制定教学大纲，确定课程内容和实验平台。对于高职、普通高校的电类与非电类专业、软件学院等，都应该有不同的选择，而不是人云亦云，一哄而上。
就目前的发展看，由于ARM等32位处理器应用渐成主流，开发工具已较完善、成熟，对于普通高校计算机学科的嵌入式系统教学，笔者认为可以定位在以32位嵌入式系统开发为主，重点是嵌入式系统的软硬件结构、嵌入式OS的知识，以及嵌入式软件设计（包括优化）。课程主体内容基本与硬件平台（处理器型号）无关，实验可以采用基于ARM核的不同厂家处理器的实验平台。主要考虑以下几点：
①在32位嵌入式系统开发上，软件开发人员的需求比硬件开发人员要多得多（尽管目前硬件开发人员较难找，但这应该是电子等专业培养的）。一般在一个从事嵌入式应用系统开发的公司中，软硬件人员的比例不会小于10：1。由于学习时间有限，教学重点应该偏软件。
②现代社会强调分工、合作，以求得整体利益的最大化。对个人的要求首先是专才，能把局部工作做精、做好。通才是需要的，但数量会比专才少得多，而且通才是练出来的，不是教出来的。今后的大学是大众教育，教学只能面向大众需求。在相关专业的研究生阶段，对一些有基础、有兴趣的学生，可以进行一些系统级硬件、底层软件的开发实践，同时也可满足社会对高层次嵌入式人才的需要。
③以此为主，可以再开设2门选修课。向下为“单片机原理与应用”，此课程以实践为主，让有兴趣的学生可以自己设计、制作一些单片机应用系统，同时也锻炼了硬件动手能力。向上为“数字信号处理（DSP）”，让那些数学基础较好、对实时信号处理有兴趣的学生有用武之地（现在这样的学生很难得）。
另外，由于应用日趋复杂，而教学时间有限，一个本科生在校期间不可能深入学习嵌入式系统的很多细节，嵌入式教学应采用自上而下的教学方法。一开始不必花很多时间讲解处理器内核架构/指令系统，只要知道各种内核的基本特点即可，重点学习、掌握处理器、外设的编程结构（即编程者角度看到的编程模型结构，非具体物理实现结构）。真实的应用、研究设计都是从粗粒度向细粒度进阶的，是一个自顶向下的过程，首先要重视的是系统架构和各个抽象层。1000行的C程序，编译后生成的目标代码只有10 KB左右，试想现在的MCU Flash动辄几百KB，为什么？一个目标代码几百KB的C程序，一般不是完全由个人写出来的，而都会使用一些第三方的库函数、中间件等。硬件也一样，现在很多硬件系统都会使用一些模块（Module），尽管这些模块看上去还是一个芯片，但实际上已经是一个SiP模块，如WiFi模块。所以，在了解基本嵌入式系统结构的基础上，本科阶段要更多地学习各种系统、模块、外设、协议、库函数的“边界（InteRFace）”，能够搭建一个简单系统（How to do），今后在工作、或研究生阶段进一步去做好一个系统（How to do better）。
5结语
摘要：主要分析嵌入式Linux系统应用开发的特点;概述其开发过程和所面临的挑战;阐述嵌入式Linux的发展和应用前景。
关键词：嵌入式Linux 操作系统 应用前景
引 言
??近年来，随着计算技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及和3C(计算机、通信、消费电子)合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息产业的主流。Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一;可运行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制;可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式Linux的开发和研究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。
1 嵌入式Linux的特点
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统，系统结构见图1。实时性是嵌入式系统的基本要求，其次，还要求代码小，速度快，可靠性高。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过裁剪小型化后，可固化在存储器或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的.开发和研究已经成为目前操作系统领域的一个热点。与其它嵌入式操作系统相比(详见表1)，Linux的特点如下。
表1 专用嵌入式实时操作系统与嵌入式Linux的比较
专用嵌入式实时操作系统嵌入式Linux操作系统版权费每生产一件产品需交纳一份版权费免费购买费用数十万元(RMB)免费技术支持由开发商独家提供有限的技术支持全世界的自由软件开发者提供支持网络特性另加数十万元(RMB)购买免费且性能优异软件移值难(因为是封闭系统)易，代码开放(有许多应用软件支持)应用产品开发周期长，因为可参考的代码有限短，新产品上市迅速，因为有许多公开的代码可以参考和移植实时性能好须改进，可用PT_Linux等模块弥补
工业嵌入式系统(INES：Industrial Embedded Systems)是由欧盟(EU：European Union)设立的用来促进使用开放源码软件的项目。INES自建立以来，已经有大量使用嵌入式Linux的应用和报告出现在实际应用中。这些应用和报告使我们看到了使用嵌入式Linux实现工业项目的希望。同时，也使我们看到了嵌入式Linux在一些意想不到地方的使用。
下面是三个具体的应用实例。
智能化的监视和控制远程点―BIRD2
网络通信功能已经成为嵌入式设备的发展必然。由于因特网的普及和飞速发展，使用基于TCP/IP的通信机制显得更具实用性。
BIRD2用户试验的目标是：使用基于嵌入式TCP/IP通信机制、在GSM(目前最大的数字蜂窝通信系统)基站将开放源码操作系统用做远程监控系统的可行性。监控数据可以通过TCP/IP兼容的传输通道，用各种通信方式如PSTN、ISDN、Ethernet或者通过GSM移动电话网络等多种途径进行传输。
BIRD2采用ULTRA进行研究、开发、设计、生产,其目标是开发出用于电子、通信以及石油工业的高技术解决方案，旨在成为使用边缘技术的端到端的供应链管理以及其他移动解决方案，从而为其顾客和合作伙伴提供最高性能的远程监视和远程控制产品。
ULTRA工业部分为监视机控制系统，引入技术是Modular Linux Data Acquision System。
经济效益
BIRD2项目约18个月偿还期，使用新技术节约了70%的成本，顾客购买价格降低了30%，每3年销售成倍增长。
产品的新特性
产品新特性或新功能有：使用TCP/IP作为标准协议、通过拨号连接或网络服务、提供商进行远程访问、用使用Linux操作系统的嵌入式计算机代替桌面计算机和具有远程诊断及升级的能力。
技术上的选择
经过几年的成长，Linux逐渐发展并得到广泛认可。对嵌入式PC的应用，目前Linux具有诸多优势：
◆ 具有正常运行于较小内存的能力;
◆ 一个多任务的实时操作系统必须包括对授权的保护和控制方法;
◆ Linux是Free的;
◆ 许多主要的公司，都有广泛Linux工具支持(部分免费)，包括C、C++编译器以及Java环境。通过在ULTRA技术上采用Internet网络通讯以及开放源码操作系统，BIRD2将有很大的改进。
技术实现
由于系统必须将分部在全国各地的基站加以连接，惟一切实可行的连接选择是使用TCP/IP。TCP/IP允许将存在的各种不同的操作系统在网络层实现透明连接，同时还允许远程诊断和目标SW的升级。对Internet相关的SW的广泛使用使得选择这种解决方案成为必然。
网络化的称重系统
Bilatron是一个建立于1984年的有着13个员工的公司，位于意大利中心。此公司的主要业务是设计、生产、销售工业应用的称重系统。
在Bilatron公司的定制工业称重系统中，使用了uClinux以及一个具有标准网络功能的控制器，以便为顾客提供新的售后服务，这些技术的使用也减少了系统的实现时间。
Bilatron公司的.产品包括：用于火车车厢、客车、坦克的称重系统;为残疾人提供的个人用品、医疗以及运动器械;为动态称重提供的特殊称重设备。
由于新的基于uClinux的具有标准网络设施的控制器的使用，Bilatron公司为用户提供了新的售后服务。该控制器还使得定制具有广泛复杂度的工业称重系统的实现时间有所减少。
Bilatron还参与安装和维护称重系统产品、校准并为其产品颁发合格证。
Bilatron公司的专用称重设备(动力的、批量的、快速运行的称重仪、重量校准仪、crane-scales)占公司产量的60%;标准称重系统(称车辆及其载重、平台、油箱、青贮塔用的台称)占公司产量的35%;个人用品(残疾人、医疗及运动器械)占公司产量的5%。
经济效益
在过去的三年里，Bilatron公司的售后服务的经济效益持续增长。计划新设备WISE将进一步提高公司的销售额。这是因为设备在刻度校准监控上具有的远程控制能力。
三年内的期望投资回报率为204%，能够提供远程的售后刻度校准服务减少定制称重系统的实现时间，新设计面世时间加快。
产品的新特性
增强的控制器的主要新特性如下：
◆ 标准的网络接口。
◆ 使用嵌入式动态Web服务器，实现了远程配置和监控。
◆ 缩短了定制工业称重系统的安装时间。
◆ 远程的售后刻度校准服务。
◆ 使用能够快速载入、评估的简单的类C语言的脚本引擎处理产生的原始数据。这样一来，不需要在整个工作链上
工作、不需要涉及运行于系统上的主要应用就可以更改决定重量的启发式算法。
◆ 图形化的液晶显示管理。
技术上的选择
他们选择使用TCP/IP通信机制原因是：
◆ 他们可从其意大利基地将其业务拓展到世界范围内，并提供维护服务。
◆ 为顾客提供广泛的售后服务。其中最重要的是远程监控称重系统的刻度校准情况的能力。
◆ 使用标准接口和协议，使其称重设备能够与工业控制系统集成。
◆ 使公司能够在较短的时间内设计和递送定制的分布式称重系统。
◆ 选择采用嵌入式开放源码的操作系统(源自Linux)是因为可在短时期内集成TCP/IP通讯机制(Linux的网络连接功能是自带的);可减少产品的面世时间及风险;可减少组件成本。这是由于Linux在没有MML的低成本控制器免费的可用性和集成性较少在组件中集成新设备的设计开销和较少新的SW应用开发的设计开销。
技术实现
在Consorzio Roma Ricerche的技术支持下，该增强设备的开发仅仅用了10个月时间。
该增强设备负责处理并将数据转换为重量值。改进的控制器(基于一个ARM7 Netsilicon NET+50 处理器及uC Linux操作系统)实现了一个脚本引擎用于处理产生的原始数据。组件还包括下面的外围部分：一个图形化的液晶显示屏;一套用于与用户交互的按钮;用于测试瞬时重量的高效的A/D转换器;用于估计测量物速度的计数器;一个提供最终测量的类似版本的D/A。设计时使用的开放源码SW为操作系统uClinux 2.4.1;本地脚本编辑器是LUA;HTTP服务器为THTTPD。
图1 Bilatron公司设计的网络化的称重系统
图2 增强的控制器的重要组件
自动生物监测和控制使用OSS
自动生物监测和控制(Automatic Biological Monitoring and Control)为OSS(Open Source Software)的使用开发了新的市场。
Biotrace有限公司在其新一代的CFL(Continuous Flow Luminometer)上应用开放源码软件(OSS)，从而实现了对冷却水塔的生物活动的远程监视和远程控制。目前，如果生物活动过高，技术人员必须亲临每一个水塔，然后取样、检测，然后向水中引入biocide。改进的、使用远程监视和远程控制的系统减少了操作成本。
Biotrace有限公司目前正致力于开发、设计、生产用于食品制备、保健产品、工业及军用市场的卫生监控系统的化学产品和设备。公司的产品包括化学产品及其相关包装用品、取液体化验的试纸及其相关的一次性用具、用于检测发生化学或微生物反应的荧光或颜色变化的测量仪器。
经济效益
Biotrace有限公司在其“不间断流监控系统”中引进了基于嵌入式Internet技术的OSS，为可能的用户减少了水塔监控的操作成本。该项系统就为公司开发了超过45000个水塔的市场，为销售额的增长打下了基础。
使用OSS，大约用了预计开发时间的80%完成原型开发。这使得Biotrace公司的项目开发成本得以降低。操作系统代码的重用、操作系统社区提供的代码行支持、高质量的软件代码也使得其开发成本得以降低。
产品新特性：
◆ 基于OSS的嵌入式Internet技术的引进。
◆ 实现了对样本测试结果的远程访问。
◆ 实现了取样的远程控制。
◆ 增强了取样及净化过程的控制。
◆ 较少了消耗。
Biotrace公司的工程师将有规律地对自测路线和错误信息进行收集，这定会改进系统的服务和维护服务。
图3“不间断流监控系统”应入OSS技术减少了水塔监控的操作成本
图4 Biotrace公司在其产品上引进了一块嵌入式x86板
技术实现
Bio
trace公司之前的Continuous Flow Luminometer(CFL)设备在提供反馈和控制功能时，需要使用者在一个集成的控制面板上进行手工操作。对此，Biotrace公司在其产品上引进了一块嵌入式x86板，使得独立操作和基于Internet的报告和控制不再需要亲临现场。组件中引入GPS接收器能够精确地记录取样时间和取样位置，这使得公司能够从不同的地点收集信息而不存在任何的不必要的配置问题。
在产品的PC和嵌入式平台上，Biotrace公司使用了普通版本的Linux版本。这获得了巨大的效益，并使得可以将比PC版本更新的软件下载到嵌入式控制器上。这让来自于嵌入式软件提供者以及开放源码社区的支持都唾手可得，再加上可用于关键部分的开放源码代码的高质量，使得公司的产品开发时间从计划的202天缩短为166天(这意味着节约了20%的开发成本)。
1 什么是嵌入式系统
嵌入式系统跟传统的计算机系统存在很大区别, 相比计算机能够更灵活的处理具体的应用功能, 在软硬件上也是如此, 同时该系统还具有不是PC系统但却同样具备计算机功能的一套独有系统。嵌入式系统的主要作用是进行辅助控制和检测等, 它属于融合多方面的先进技术而进行针对性运行的系统。
嵌入式操作系统、嵌入式微处理器、用户应用软件和外围设备是构成嵌入式系统的四个基本部分, 其中嵌入式微处理器和外围设备是嵌入式系统的硬件设备, 嵌入式操作系统和用户应用软件则是其软件部分。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的任务分配和内部控制, 嵌入式微处理器则是嵌入式系统的关键核心, 它能处理相当多的不同功能, 并能将系统的可靠性和效率提升到一个新的高度。
2 低功耗嵌入式系统技术的起源
近年来, 人类经济社会和科学技术的快速发展消耗了大量的能源, 造成不少能源面临枯竭的局面。面对这种情况, 那些高能耗的技术都应该加强创新, 减小能源的消耗量才能获得更长远的可持续的发展。
嵌入式系统在这种大环境下应该走绿色环保的可持续发展道路, 积极跟全球进行更好的融合和交流, 同时也要加强自身的创新能力, 加快低能耗技术的发展, 缩减成本、降低能耗作为竞争优势, 从而收获更大的利益。
3 低能耗嵌入式系统的基础
嵌入式硬件和嵌入式软件是嵌入式系统的两个主要部分, 主要包括前面提及的四个基础部分, 嵌入式系统的这两个层次是研究低能耗技术的主要方向。
对于嵌入式硬件部分低功耗的探究, 应该研究这些部分:电池是硬件部分追求低能耗研究不可忽视的部分, 因为电池对于移动设备来说是判别他们好坏的一个重要参考因素, 生产出耗电量小、储存电力能力也强的电池是研究硬件低能耗的一个重要部分;用于制作低能耗硬件的材料是嵌入式系统追求低能耗的另一关键, 性能好、材质高的材料主要是依靠材料的更新换代而得到, 因此它主要受外界的因素影响。嵌入式微处理器在使用时将多余冗杂的部分丢掉而只保留了主板功能, 从而极大的提高了低功耗的效率, 而体积大幅度减小则促使低功耗技术获得更好的发展。
而嵌入式系统低功耗软件部分的研究, 则主要集中在算法级的功耗优化等有关部分, 它也能为系统降低功耗做出相应的贡献。
4 低功耗嵌入式系统怎样实现创新
随着大型集成电路规模的不断增大, 对芯片的功耗也越来越大, 而低功耗嵌入式系统技术在嵌入式系统不断发展的条件下, 也有了更高的创新要求。怎么减少硬件设施的使用材料, 怎么更新工艺节约成本, 怎么在能耗最小的同时还能获得利益最大化, 怎么谋求电池等硬件设施的技术进步, 怎样改进算法编程, 让软硬件更好的结合在一起, 这些都是在嵌入式系统发展过程中实现低功耗需要考虑的问题。
5 低功耗嵌入式系统技术的运用
在知识更加丰富, 科学技术更加发达的信息化时代, 多种学科和各种知识互相结合的技术性综合性嵌入式系统已经得到了广泛的应用, 并且还将面临更好的发展机遇。
嵌入式系统硬件和软件部分是低功耗技术的两个主要应用方面。
嵌入式系统的根本是它的硬件部分, 对硬件的低功耗技术发展相对较早, 因此具备一定的技术实力, 同时也很难在短时间内获得重大的突破。
而对于系统应用的关键核心以及重要组成部分, 系统的软件应用进行低功耗研究开发意义重大, 对降低整个系统的能源消耗都有着非常积极的作用, 这样才能从根本上实现低功耗的效果。
6 低功效硬件技术的应用
嵌入式微处理器和外围设备等嵌入式硬件系统的低功耗技术已经达到了一定的水平, 并且在电子商务和工业控制, 以及在人们的日常生活中都有了比较广泛的应用, 选择使用能耗较低的组成部分对于降低嵌入式系统的硬件耗能效果非常明显。比如ARM微处理器就是能耗非常低的一种硬件, 它已经被广泛应用于许多移动设备等电子产品中, 而且它体积小、能耗小但性能强等优点为开发低功耗硬件指明了发展方向。
拥有嵌入式系统的设备有着更加严格、精确的要求。以芯片为例, 因为电路器件的老化跟热载流子和电迁移等有关, 所以对芯片的散热要求更高:功耗的增加会使芯片的温度升高进而导致一连串的机制故障, 比方说一些封装故障、电迁移等, 温度每升高一度, 器件出现故障的概率就会升高两倍。而使用低功耗嵌入式系统的芯片能使器件的损耗降低一倍, 因此有必要加强对低功耗嵌入式系统的运用。
7 低功耗软件技术的应用
将嵌入式操作系统进行优化是嵌入式系统软件部分进行低功耗研究的主要目的, 要实现这一目的需要同时对编程和算法等方式和功能消耗策略管理等方面进行优化。
对嵌入式系统的核心部分应用低能耗技术对于降低整个系统的能耗意义重大, 因为嵌入式操作系统控制着整个系统的任务分配。要提高系统工作效率, 并且让暂时不工作的部分处于一种更节能的状态, 从而让整个系统的能耗降低, 是我们目前努力的方向。
8 结语
在经济社会和科学技术不断发展的同时, 也消耗了大量的能源, 使那些能源消耗较大的行业面临巨大的挑战。嵌入式系统必须从硬件和软件两方面向更加节能、能耗更低的方向发展, 才能获得更好更长远的前景和更加广泛的应用。
摘要：嵌入式系统设计领域普遍会遇到低功效系统的能量消耗问题, 制约着整个嵌入式系统的应用和发展。为了实现嵌入式系统耗电量的减少, 对嵌入式系统的主要功耗来源进行目标分析和判断, 根据确定的目标进行针对性的分析找出相应解决办法, 以此降低嵌入式系统能耗。为此探讨分析怎样使嵌入式系统的能耗降低, 而从系统的软硬件两个角度进行一些具体分析。
关键词：嵌入式系统,低能耗硬件设计,低功耗技术
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关键词：嵌入式系统；应用；设计
中图分类号：TP368.1文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 16-0000-01
The Design and Application of Embedded System
Gu Yingping
(Changsha University of Science&Technology,Changsha410114,China)
Abstract:The embedded systems is specific computer applications
system.Combining the characteristics of embedded systems,this article discussed the basic components,structural design,application,and current research directions of embedded system.
Keywords:Embedded system;Application;Design
一、嵌入式系统含义
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之為计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁剪的专用计算机系统。
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）和应用程序编程；有时设计人员把这两种软件组合在一起，应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
二、嵌入式系统硬件结构
嵌入式系统的硬件架构是以嵌入式处理器为中心，由存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。嵌入式系统是量身定做的专用计算机应用系统，有不同于普通的计算机组成，在实际应用中的嵌入式系统硬件配置非常精炼，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路都可根据需要和成本进行裁剪、定制。嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统得信息处理能力，常外接DSP和DSP协处理器，已完成高性能信号处理。随着计算机技术、微电子技术、应用技术的不断发展及纳米加工工艺技术的发展，以处理器为核心的集成多功能的SoC系统芯片已成为嵌入式系统的核心，在嵌入式系统设计中，要尽可能选择满足系统功能接口的SoC芯片，这些SoC集成了大量的外围USB、UART、以太网、AD/DA、IIS等功能模块；嵌入式处理器包括A、EMPU-嵌入式微处理器；B、EMCU-嵌入式微控制器；C、EDSP-嵌入式数字信号处理器3类。随着嵌入式系统复杂性的提高，控制算法更复杂。嵌入式Internet的广泛应用、嵌入式操作系统的引入以及触摸屏等复杂人机接口的使用，使32位处理器核的应用也日趋广泛。
三、嵌入式系统软件系统
对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包括4个层面：设备驱动层、实时操作系统RTOS、应用程序接口API层、实际应用程序层。有些分类将应用程序借口API归属于OS层，是按3层划分的，由于硬件电路的可裁剪性和嵌入式系统本身的特点，其软件部分也是可裁剪的；对于功能简单，仅包括应用程序的嵌入式系统，一般不使用操作系统，仅有应用程序和设备驱动程序。现代高性能嵌入式系统的应用越开越广泛，操作系统的使用成为必然的发展趋势。
操作系统应用程序接口API是一系列复杂的函数、消息和结构的集合体，它和一般操作系统下的API在功能、含义及知识体系上完全一致；在操作系统中提供标准的API函数，可加快用户应用程序的开发、统一应用程序的开发标准，也为操作系统版本的升级带来了方便。在API函数中，提供了大量的常用模块，可大大简化用户应用程序的编写。
四、嵌入式系统的应用
嵌入式系统在不同工业领域的设计与应用已经超过了30年，包含了航空航天、铁路、能源和工业控制等方向由于嵌入式系统的性能不断提高而成本不断下降，嵌入式系统也作为日常使用的电子设备在汽车、家电和移动通信等领域得到了广泛的应用。
嵌入式操作系统（RTOS）包括VRTX、PSOS、VXWORK，WINCE，EPOC、LINUX、PALM、OS-9、JAVA CHORUS OSQN-X、NAVIO等。嵌入式系统与SoC之间并没有明确的界定，嵌入式系统更多地是指对单片机系统所做的集成，是SoC的一个子集。SoC则是指更广泛的系统集成。单片机在推动IC应用，促进IC发展方面发挥过而且还将继续发挥重要作用。单片机以微处理器为核心，在相应的应用环境下开发出软件写入码点，再配上周边的外围电路，就构成了应用于各行各业的单片机系统。可以说基于单片机的嵌入式系统是SoC的最初形式，有些单片机系统，例如家电控制器等，有着非常广大的市场。对于这种单片机实现系统集成，把所用的微处理器和外围电路集成为一个芯片，这样做不仅可以降低成本，提高可靠性，同时还有利于保护知识产权，这就构成了SoC的最初形式。不少Foundry为了扩大营业范围，建立了嵌入式微处理器的渠道，为嵌入式系统的设计和加工提供了方便。
参考文献：
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[5]苏东.主流ARM嵌入式系统设计技术与实例精解[M].电子工业出版社,2007,7
作者简介：
目前所在： 深圳 年 龄： 26
户口所在： 湖南 国 籍： 中国
婚姻状况： 未婚 民 族： 汉族
诚信徽章： 未申请 身 高： 169 cm
人才测评： 未测评 体 重： 57 kg
人才类型： 应届毕业生
应聘职位： 电子工程师/技术员， 嵌入式软硬件开发， 仪器/仪表/计量
工作年限： 0 职 称：
求职类型： 全职 可到职日期： 随时
月薪要求： 3500--5000 希望工作地区： 深圳,广州,广东省
◆ 工作经历
湖南省电子设计竞赛 起止年月：-07 ～ 2012-09
公司性质： 所属行业：
担任职位： 参赛队员
工作描述： 协助团队对赛题进行分析，方案制定和作品制作，主要负责对硬件电路的设计和调试
离职原因：
“3+1”实验室 起止年月：2012-03 ～ 2012-10
公司性质： 事业单位 所属行业：
担任职位： 学生
工作描述： 进行单片机学习，使用51单片机、AVR、STM32的片上资源
熟练使用测试仪器，如泰克示波器、信号发生器等
制作PCB，完成整个电路的制作、调试、修正
熟悉各种接口技术如I2C， UART等
制作51单片机、AVR、STM32的小系统
毕业院校： 南华大学
最高学历： 本科 获得学位: 工学学士 毕业日期： -06
专 业 一： 电子信息工程 专 业 二：
起始年月 终止年月 学校（机构） 所学专业 获得证书 证书编号
◆ 语言能力
外语： 英语 一般 粤语水平：
其它外语能力： 无
国语水平： 良好
◆ 工作能力及其他专长
熟练使用Visual C++ 6.0、Keil等程序开发软件；
熟练掌握C语言，并对C++有一定程序的掌握，具有较强的C代码编写能力，有良好的.编码风格；
熟悉51单片机、STM32等硬件内部结构、工作原理与外围电路设计，有设计经验；
熟练掌握Multisim、Tina等仿真软件的使用；
熟练掌握电路原理图和PCB板设计软件，如Altium Designer 09；
熟练操作Office办公软件，尤其精通Word的使用，利用Word编写规范文档。
◆个人自传
本人性格谦虚、自律；责任心强，学习勤勉；做事有条理性，乐于合作，喜欢打羽毛球；在实验室的一年学习期间，制作过多个小项目，积累了对电路从原理分析到最终测试的制作经验，具有一定的实际动手能力。有一定的C代码编写能力，能编写规范程序和规范文档。
对于MP3压缩数据的解压缩播放，只需要使用ARM7TDMI微处理器架构核心的25MHz工作频率就可以流畅地播放，而ARM7TDMI的工作频率最高可达72MHz，建议工作频率为64MHz，完全能满足需要，空出的微处理器资源还可以实现功能扩展。而且市场中已有成熟的开发平台，其中三星公司的SamArmDvk就是一个完善的开发环境，它可使开发变得可靠简单。
4 结论
关键词：嵌入式系统；教学改革；项目式教学
作者简介：吴君鹏（1980-），男，吉林长春人，东北电力大学电气工程学院，讲师。（吉林 长春 132012）
基金项目：本文系东北电力大学校教学改革研究立项（项目编号：201102）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）31-0045-01
随着32位微处理器技术的发展，嵌入式系统成为当前信息技术发展的热门技术之一。智能手机、信息家电、工业控制等诸多领域都对其产生了巨大的需求，于此同时嵌入式系统软硬件工程师也成为了热门的就业方向。所谓嵌入式系统即：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、面向具体功能的专用计算机系统。从电子信息类学科知识体系上来看，嵌入式系统课程涵盖了模拟电子技术、数字电子技术、C语言、微机原理和接口技术、操作系统等多门课程的基础内容。目前国内很多高校都在电子信息工程、通信工程、自动化、计算机、软件工程等诸多本科专业以及相应的研究生专业课程中开设了以32位微处理器为核心的“嵌入式系统”课程。由于“嵌入式系统”这门课程知识内容多、综合性强、对学生动手实践能力要求高等特点，它的教学也就带来了困难和挑战。
一、嵌入式系统的教学与实验内容
嵌入式系统的教学通常以32位微处理器为平台，32位的微处理器主要有ARM、MIPS、POWRPC等。[1]目前国内的大多数高校都是以介绍ARM微处理器为主，教学的内容主要包括ARM微处理器内核的介绍、ARM的汇编指令和汇编程序设计、芯片的片内外设及接口技术、嵌入式系统的C语言设计和嵌入式操作系统等内容。
在试验内容的安排上，通常包括ARM汇编语言的程序设计、无操作系统的片内外设的C语言程序驱动设计、BootLoader的移植、嵌入式操作系统内核的移植、UCOS II、LINUX、WINCE等嵌入式操作系统下的C语言驱动程序设计和应用程序设计等。[2]
以上的理论和试验教学内容根据不同的专业，课程的侧重点也不相同，课程的理论学时大约在30学时到60学时之间。另外，有的高校把嵌入式系统课程作为一个本科的一个专业方向，相应的学时内容就要更多。
二、嵌入式系统课程的特点
“嵌入式系统”作为电气信息类等本科学生的专业课程，具有知识内容综合、动手实践性强等特点。在前期的课程当中，学生已经学习过“C语言程序设计”、“微机原理”等课程。教学过程中，“嵌入式系统”这门课程最主要的教学目标就是让学生能够通过所学的知识以及所掌握的嵌入式系统开发的工具解决一个具体的实际问题。但是在教学的过程中笔者发现，仅靠课堂的理论与实践教学，达到这一目标还有一定距离。单纯的理论教学只能使学生被动地接受部分知识，达不到培养学生动手实践的能力。为了使学生能够学以致用，还要用实践来促进理论的学习。“嵌入式系统”课程最主要的学习手段就是多动手、多实践。
根据“嵌入式系统”课程的教学内容以及笔者的教学经历，发现该课程的教学过程中需要注意以下几个方面：第一，教学目标以应用为导向培养学生的工程实践意识。作为电类的工科学生，除了在课堂上学习知识，还要树立培养工程实践的精神。尤其是像“嵌入式系统”这样的综合性专业课程。第二，在教学内容上应以学科知识的综合作为基础，进而建立知识体系。“嵌入式系统”课程不单单是讲述一种微处理器或者是微控制器的架构，学生在这门课程中学到的更多的是一种借助于所掌握的嵌入式系统工具来解决问题的一种能力。这种能力在“嵌入式系统”课程中往往体现的是电子系统硬件设计和程序设计的能力。第三，在教学过程中以团队作为教学合作单位，培养学生的团队合作意识。“嵌入式系统”本身就涵盖了很多知识，它兼顾软、硬件两方面的内容，和很多的专业课程融合在一起，具有很强的学科综合性。每名学生都不可能把所有的内容都掌握，所以在学生的学习过程中，以小组团队为单位，共同去学习，更能激发学生的学习兴趣。
三、嵌入式系统教学手段改革
1.教学过程中发现的问题
笔者刚开始讲述“嵌入式系统”课程时，由于并没有太多的经验，还是依照课堂理论、课下试验的传统教学方式。但是随着教学的深入，发现这种教学过程中存在很多问题。
（1）课程内容涉及面广，知识内容多。笔者课堂上讲解的是以三星公司的S3C2410这款ARM9微处理器芯片，既要介绍ARM9芯片内核上的东西，比如ARM处理器的工作模式、存储格式、异常、通用寄存器等，[3，4]又要结合S3C2410讲解芯片的片上资源，如定时器、A/D等，同时还要介绍嵌入式系统的硬件设计、汇编程序设计、操作系统等等。在有限的课时内，很多内容只能浅显地介绍。一个学期下来，一部分学生看上去了解了嵌入式系统的许多内容，但是一到具体的应用实际就会发现还欠缺很多知识和技能。
（2）传统的以教师为核心的课堂上，在讲解这门综合性实践性很强的课程时，很多学生都是被动接受知识。学习一段时间后，由于学术缺乏学习的主动性，也就渐渐失去了兴趣。
（3）在相对较短的试验课程内，学生需要熟悉开发的软硬件环境，如开发工具、试验箱上的硬件原理图等，还要了解试验内容，看懂芯片手册，读懂试验例程代码，并能在已有代码的基础上进行相应地修改以及添加自己的代码。在这期间，学生自主的实践动手能力得不到充分地锻炼，某种程度上也就仅仅是熟练了一种开发工具而已。一学期下来，离教学目标还有很大距离。
2.基于项目应用的嵌入式系统教学改革
笔者在总结分析上述问题的基础之上，逐步对课堂教学进行改革。把项目应用的教学理念逐步引入到课堂当中。所谓的项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力。由于“嵌入式系统”课程普遍开设在本科的大三和大四阶段或者是研究生阶段，学生已经掌握了多数的专业基础知识，所以可以在“嵌入式系统”的前期授课中布置课程作业论文，同时课程设计的内容可以让学生结合自己的兴趣爱好自行拟订，老师不再强制给出具体的题目，而是给出参考题目。学生在已有的专业知识基础上，选择一个自己感兴趣的题目作为本学期的课程论文来完成。这样学生会带着自己的问题在新学期开始就要深入了解课程的内容，同时课下查询相关的资料，这比课堂被动地接受知识更能培养学生的学习能力。比如，有的学生选择了利用ARM实现简易示波器的题目，这就需要他们课下学习有关数字示波器的知识，并且要设计围绕以ARM处理器为控制核心的电路、设计程序流程、调试等诸多知识。学生带着这样的问题去学习嵌入式系统课程，一是明确了嵌入式系统的以应用为核心的本质，二是可以对所学的知识进行综合应用。同时，课堂上老师的角色也从传统的讲授者转变成学生解决问题的合作者，虽然老师不能对学生所选择的每一个题目都很熟悉，但是却可以在与学生的讨论过程中帮助学生理清设计思路，完成设计目标。同时在对学生成绩考核时也不再只是看试卷的分数，而是由学生最终完成的论文以及演示的成品作为最终的成绩考核。
这种基于项目应用的教学方法强调以学生为学习认知的主体，目的就在于激发学生的学习积极性，促进学生在工程实践中培养提出问题、解决问题的能力。在“嵌入式系统”的教学过程中，师生共同讨论问题，教师的职责也悄然地发生了变化，教师成为帮助学生学习的管理者和指导者。学生在课程论文的实践中加深了对嵌入式系统概念的理解，掌握嵌入式系统的设计方法和开发过程，培养了利用嵌入式系统工具解决具体应用问题的能力。
四、教学效果
通过基于项目应用的引导式教学和实践改革培养了学生通过研究具体课题来学习知识的能力，学生能够在教师的引导下主动完成学习任务，能够根据具体的问题提出自己可行的实施办法。“嵌入式系统”课程的学习目标是使学生深入地锻炼自己动手实践的能力，并在与教师的探讨中能够提炼出设计题目完成所需的流程和方法，真正达到学以致用。在“嵌入式系统”课程最后的考核中，学生提交的作品包括电子时钟、基于ARM的简易数字示波器、利用GPRS模块实现的短消息收发等等。虽然作品表面上技术难度并不是很大，但是学生为了完成这些课题时阅读文献、制订具体的设计方案的整个过程，掌握了嵌入式系统的相关知识，熟悉了开发的软、硬件平台，充分调动了学习的主动性。
随着信息技术的发展，嵌入式系统应用场合也将越来越广泛，对嵌入式系统的人才需求也越来越大，同时对嵌入式系统的教学也提出了更高的要求。这种强调以应用为中心、以项目实践为导向的“嵌入式系统”教学将会得到更多教师和学生的认可。
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一、嵌入式网络信息控制系统框架
在网络信息软件中, 网络控制系统所涉及问题为异种协议与类型并存问题, 依据Metcalfe相关定理, 信息网络功能会随着网络节点增加, 其指数随之增长, 而网络兼容性与扩展性较好, 其控制功能就越强, 在TCP/IP网络协议下的控制系统, 是其合理选择, 因TCP/IP网络协议具有成本低、连接简单与资源共享等优点, 在规范标准协议中, 网络系统的快速、稳定、开放与准确更具有保障性, 可有效满足远程监测、管理与控制等要求, 嵌入式的网络控制框架主要是由用户层、网络层、嵌入网络接口与物理层设备等所构成的, 嵌入网络系统实现了现场设备与互联网相连接的目的, 其中, 用户层经过控制界面, 运用互联网把信息指令传送到控制器上, 而控制器把信息处理后, 转换为控制命令, 向执行器发送控制命令并执行, 执行结果会反馈给用户, 运用以太网通讯功能, 让网络信息经以太网实施透明传输, 并且不用区分信息网络与控制网络, 有效简化了网络结构。
二、嵌入式技术在网关系统中的应用
在网关系统中, CAN为控制器的局域网络, 因CAN应用了新技术与独特设计, 与一般通信总线相比, CAN总线数据具有实时可靠与灵活等特点, CAN为总线串行通信, 在现场总线应用当中, CAN总线是应用非常广泛的通信技术, CAN总线工作为多主方式, 任一节点并不分主从, 任何时刻均可向网络其他的节点主动发送信息, 可组成多机的备份系统, 节点信息因能分为不同优先等级, 可对不同实时要求给予满足, CAN总线还能充分应用非破坏性的总线技术, 避免网络存在瘫痪状态, 还能实现点对点或者一对多点方式进行数据传送接收。网关系统具有硬件与软件两部分, 两部分相互关联, 密不可分, 依据研究方案, 将以太网与CAN总线相连接, 便于节点数据获得。硬件系统包含核心处理器、外围设备与网关系统结构等, 芯片为CAN集成控制器, 主板为微处理器, JTAG接口可用来跟踪调试系统, 对于UART0与USB接口功能给予外扩, 加强嵌入式系统扩展性。网关作为网络软件与硬件相连接产品, 是最复杂网络设备, 运用网关可在不同的体系结构中, 连接计算机网络, 类似于翻译器, 完成计算机网络间的连接后, 网络便能对复杂协议进行转换完成, 并将数据重新分组发送, 网关应用的原理是数据交换原理, 通过分析, 可对网关实施模块化, 并对主流程基于设计, 对CAN总线与TCP/IP协议两模块给予编写, 让网管具有相关控制的协议函数, 而协议函数是依据TCP/IP模块分析来设计的, 程序功能步骤为:CAN控制器全部通道号被显示, 把实际CAN通道号向ASII格式转换, 由CAN控制器缓冲区里的CAN帧信息读取, 将其转换成ASII数据格式, 再用以太网进行帧数据添加, 并发送到以太网中。CAN接口卡为CAN总线上通讯适配卡, 经过计算机并行接口, 可让计算机变成CAN节点。
三、嵌入式系统在网络信息安全与监测系统中的应用
1. LiNux嵌入式技术在网络信息安全系统中的应用。
在网络安全系统中, 依据LiNux技术进行系统设计, 也就是在嵌入式系统当中, 上网端设备的设计应用, 网络信息安全系统内容包含上网端设备、网络管理平台与远程管理设备等, 通过LiNux技术内核代码的研究, 对网络安全设备要求进行实现, 并通过TCP/IP协议分析, 实施代码编写, 以完成网络信息的审计程序, 实现TCP/IP协议分析, 并对系统测试的结果给予分析, 以了解审计上网信息功能的应用, 充分发挥嵌入式系统的功能。
2. 嵌入式技术在Web服务器中的网络监测应用。
Web服务器中, 应用嵌入式系统, 可有效实现网络监测功能, 为确保网络信息安全, 应用网络监测系统是个敏感话题, 对网络传输数据进行监视, 可辅助网络管理员优化网络环境, 并且还能及时排除故障, 避免网络安全问题出现, 嵌入式的Web服务器在此方面具有非常重要作用, 系统管理员通过运行性能或者效率监测分析, 可运用最佳网络服务, 辅助管理员对网络信息进行有效管理。
结束语
随着计算机技术发展, 网络环境不断复杂化, 嵌入式技术被广泛应用在网络信息软件中, 基于TCP/IP网络协议与CAN总线等, 可有效实现网络信息软件的所需功能, 增强网关系统合理应用, 并强化网路信息安全与监测功能, 促进网络信息软件应用环境的优化力。
参考文献
[1]方尔正, 张路蔚.基于ARM处理器和LINUX系统的嵌入式网络过滤装置[J].中国科技纵横, 2012 (5) .
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