嵌入式系统技术的发展及未来.docx

嵌入式系统技术的发展及未来主讲人:广东工业大学计算机学院副院长、博士、教授 曾碧曾碧，女，博士，教授，广东工业大学计算机学院副院长，同时兼任中国计算机学会多值逻辑与模糊逻辑专业委员会委员，广东省计算机学会理事，广东省自动化学会理事，广州智能工程研究会理事。长期致力于单片机与嵌入式系统、智能机器人、智能家居网络等智能理论、方法和技术等方面的教学和科学研究。近年来主持和参加国家基金、省基金、省科技攻关、省教育部产学研、东莞石龙基金等科研项目二十多项，在智能产品开发、嵌入式系统和模糊控制等方面取得了较多的成果，开发了近十个模糊控制产品已由广州万宝集团、广东科龙电器股份公司等著名企业投入大批量产业化生产，并取得授权和授理专利多项。在IEEE国际会议和核心期刊等学术刊物上发表论文30多篇，其中有20多篇被三大索引收录。现场录音整理稿（华软之声：李青荫）各位领导，老师，同学，下午好!今天主要跟大家交流下嵌入系统技术的简介及未来的发展。嵌入式整个的发展过程是计算机学科里一个比较大的分支，在46年前第一台计算机之后，已经经过一个比较漫长的发展了。 计算机一开始由电子管组成，再发展到晶体管。我的父亲以前在传播厂船工作，厂船里有个计算机绘图，用来进行切割钢板。我记得我小时候，单位机房有这个厅一半大，有很多台主机，他跟我演示它能唱东方红，输入就可以。相对今天，是一个主机很大而且功能也很弱的机子，只能唱一个东方红。到了七十年代，出现了微型机，也就是Pc机。由于处理器的出现，把微型机嵌在一个对象系统，就有了计算机。具有计算机的电器设备，引出一个嵌入式计算机系统，就是把机嵌在设备里这个理念。首先引出来从计算机诞生的电子管，发展到晶体管，集成电路，大规模集成电路这个过程，然后到目前的电子系统，这是必然的发展规律。现在计算机里头有两大分支，一个是越做越大，一个是越做越小，所谓两个分支一个是通用计算机系统，对海量数据的处理容量提升。达到这一块计算机是越来越大。另外一个方向就是越来越小，就是我们希望把所有的计算机最主要的核心PPU放到电器设备里头去，这样嵌入式系统要求的方面就更高，要跟对象能够密切结合。比如我要控制一台空调，首先空调的工作原理要搞清楚，实现对空调的控制，技术上来说，整个计算机系统嵌到对象中，嵌入式系统表示某个相融合的技术。 通用计算机系统不需要兼顾嵌入式要求，操作系统在机子上面，作用不是非常强大，对于高容量要求完全可以做到，而且发展很快，但是这个系统通常带有垄断性。我们嵌入式系统，一个很重要的目标是单芯片化，主机要求很小，比如手机。但是原来传统电子领域的厂家和电子领域需要那种软硬件的关系，而且我们是把计算机嵌到电器设备，达到智能化水平，厂家非常看重性价比。所谓性价比是投入成本一样，但产品智能化水平越高，卖得越贵。就像普通电饭锅和电脑型电饭锅，价钱相差好大，但是成本增加是很少的，性价比就出来了。从应用上来说，嵌入式技术用到很多产品上面，计算机的两大分支使系统更加专业。而且很重要的是嵌入式技术可以将计算机技术扩展到传统计算机领域，这是嵌入式为什么发展得这么快的意义所在。 从表里头可以看出计算机发展的阶段，通过模拟脑细胞信息处理的能力对人的智能进行研究。八零年到了数字社会，已经将人的行为移到网络上去，电子商务等等都是依靠网络进行。从发展的角度看，从2010年把人的智能的算法计算设备最终运用到真实物理世界。现在互联网在全国非常火热，全国已经批了将近30个互联网新专业，今年有20多个互联网新专业产生。互联网跟嵌入式系统密切相关，我讲的这种嵌入式系统的定义，要实现互联网，必须有计算机在里头，才能真正进行联网。 互联网的发展可以将智能的行为放到真实的物理世界里去，所以从发展的角度来说是很好的。其实嵌入式系统一定与对象相关，以应用为中心，以技术为基础，目前单芯片有CPU，存储器，所以搞嵌入式系统还是以计算机技术为基础的，而且，软硬检核剪裁这一块对嵌入式人才要求比较高，一定要软硬件都有相应的基础，还必须要把整个计算机系统以最适合的方式放到对象里去。计算机所具有的系统进行优化，比如硬件要优化，软件要优化，才能使得价格低，体积小，性价高，就要跟计算机技术，半导体技术各个领域与具体应用相结合。嵌入式技术有很多相应学科，像电子系肯定要学，从电子系分出的微电子也是。还有对象学科，面向应用的几个学科进行结合，形成整个嵌入式系统学科领域，技术上要求要高，软硬皆备。搞嵌入式的同学以后可以去创业。 给大家举个例子，搞嵌入式的同学如果以后想创业，像网络，软件的大型系统，肯定要有大的软件公司去运作，但是搞嵌入式的公司可以是几个人，现在十几个人已经算是比较大的，但这最大的生存方式是创新，比如一个往后倒车的装置，把这个产品进行一定的包装，宣传，如果有idea，有新的想法，用一个产品体现出。搞电子产品的人，最主要是要有创新的idea，现在技术已经有基础，主要是没有新的创新与技术合在一起。操作系统的支持在嵌入式高端产品，在企业要求性价比要高，用单片机就能完成，如果项目接到，用八位算法，就可以分四类，第一大类是通用机上的基础，把电路变成模板，但是放在工厂现场或厨房适用环境差；第二类是嵌入式系统手持设备，像手机，数码相机，要求功耗低，8051CPU存储器相当便宜，达到25兆的频率也只要五块钱以下；第三类，嵌入式的DSp处理器，有适合范围，假如同学是学通信的，他们那些算法比较复杂，对图像、视频时海量的幅度要求比较高，所以有一种专门数字处理器。另外32位阿姆，DSP双核嵌入式系统，数据速度快，这个终端设备还是比较主流的。具有双核的OSO30就使整个提高了；第四类嵌入式的片上系统，片上的系统非常有前景，国家基金和省的科技方向项目，很多指南都往这个方向靠，把最终产品放在这个片上，把实现的系统用集成电路设计的方法，全部嵌入在一个芯片上，就叫做片上系统。刚刚讲的四大类，第一类CPU嵌入式处理器，一类是微控器MCU，一个是DSP双核，一个是片上系统，下面看一下嵌入式产业，它是不可垄断的产业，软件上基本是微软垄断，通用计算机系统带有垄断产业，但嵌入式系统工业是不可垄断的，IPM，TI，摩托罗拉，飞思卡这些公司生产芯片，每个系统都有很多型号，我们作为用户，选择面相当的广泛，只是在于应用对象的需求。根据你具体的嵌入式对象，他的需求，决定选择哪种芯片，所以不可能垄断，操作系统也是开放式的选择，像WIN7是32位，很多LINUX嵌入式系统也用了很多。 第二个特点，嵌入式是面向用户面向特定产品的，在很多方面都要针对它的应用，主要是功耗，幅度，很多方向要选择匹配而且不浪费资源等等，设计方案是最好的，而且两伟才一，保证性价比，第二大类主要是跟社会、产品联系的嵌入式系统，它的生命周期相对来说很长，我们开发完一个产品，它的程度、硬件结构、软件编码都固化了，不像我们开发一个软件系统，是经常改的。我们以前也接过软件项目，做起来相当烦，一天到晚搞完又说要改，所以软件工程非常需要强调各方面都很清楚，把用户的需求确定下来，你的老总签字不再改了再做，嵌入式系统已经固化了，不可能改变了，这与产品的生命周期一样。也跟公司联合试验，开发是需特定工具的，开发环境也就是卫门通用技术，计算机系统可以配上开发环境，但是嵌入式系统不具备自主开发能力，所以需提供开发工具，即使你是对芯片的写入也需这个开发工具，不可能对自己编程。 学生学了他公司的这个课程，比如摩托罗拉的芯片，将来学生一毕业，他可能自然的就会选我要开发一个芯片。其实很多厂家都可以选，他熟悉这个，就用这个做。就跟我们搞联合实验室、研发中心一样，这些开发工具免费送给你，但是，你要在这个课程里用我的开发工具给学生做实验,这样学生就熟悉了。在公司里如果要开发一个项目，会去购买一些开发工具或者到芯片厂家要求他给我们开发工具,也就是说，我们通常必须有交叉编译，针对目标机可以运行的代码进行编译，然后下载。要开发这个代码，必须要有开发工具、开发环境，这是一个方面。 第五个特点，嵌入式的软件需要实时操作系统开发平台，嵌入式软件的特点是必须具有实时性，一般的PC机上这些操作系统是非实时的。嵌入式的系统要求是实时的、反应的，对很多环境因素、当前的输入信号要有一个实时的反应，这样的话，用户要配一些实时操作系统平台。 第六个特点跟嵌入式系统专门的技术特点有关。因为整个嵌入式的应用领域是面向各个行业的应用的，所以，开发人员必须是各个应用领域的专家。刚才是从特点方面给大家介绍，从整个应用前景来说，嵌入式技术影响到我们生活的方方面面，包括我们家庭、学校，我们家庭的家电、汽车等都有嵌入式系统，几乎是无处不在。接下来说互联网，还要把无处不在的嵌入式系统联网，形成物与物的联网，物与人的联网。将来整个发展前景推动数字革命的第三波高潮就是来自于嵌入式技术。从实时系统、人工智能网络、传感器、功能扩展、用户界面等等，在嵌入式系统里头，可以实现这一系列的功能，就是说它可以实现网络的功能、人工智能的功能、可以有传感器感知环境、可以有用户界面跟人来交互、可以有相应的定制，就是说用户必须要拓展一些什么。因为嵌入式系统是把计算机镶嵌在设备里头，我们的手机、电话、相机，大家可以想象非常广阔的应用前景。INTEL现在成立的这个中国研究院的首席技术官说，虽然他们公司是从原来的INTEL研究中心转过去的，但是他们是新成立的，他们说会用六个月去探讨将来的研究方向。看看新成立的研究院，看看将来做什么东西，他们就会研究。包括现在比较新的研究方向，像计算，高性能计算，医疗保健等等。他要实现开发研究的产品也好、技术也好，都要用到嵌入式技术。所以，最终将嵌入式系统的前沿研究，确定为INTEL新的主攻方向，从这个角度大家也可以看到嵌入式技术在当前是一个非常热门的方向。我们资深的嵌入式系统的专家给出了寓言，当然他的眼光会更加远，他的寓言是，十年后将会产生针头大小具有超过一亿次运算的能力的嵌入式智能芯片，将帮我们提供无限的空间，而且会吸引其它很多技术和成果。其他技术研究出来的成果可能将来都要在嵌入式系统实现，包括现在很多的模糊领域，模糊理论领域，模糊逻辑的这些成果，往往会用嵌入式技术去实现。比如现在的电饭锅、汽车上的打火，都有模糊技术，当然他在汽车上去实现就必须要用到嵌入式技术。另外我有个学生他搞一个验钞机，用到了神经网络方面的一些研究成果。神经网络就是图像识别的一些成果，然后把它移植到PSP上，就可以实现对假币进行识别。物联网其实就是嵌入式应用的机会与未来之一。其实这个定义以及特点大家都可以理解，嵌入式系统跟物联网非常紧密，当然物联网用到一个比较关键的技术，就是RFID。RFID是无限色屏识别的。 网络的通信技术也是主要的相关技术，是非常好的嵌入式应用方向。传感器网功耗很低，现在比较热门的是JGERBING。JGERBING功耗很低，只是负责对外界的检测,检测的量发送到我服务器进行信息交换。像智能家居里头可以用到传感器网技术。所以它在窗帘的控制、灯光的控制、家电的控制包括相应的一些家用的厨房的联网。这个技术的特点是功耗低，但是它传输的距离有限。我们当时买过一些节点，是一些比较早期的节点，传的不是很远。传感器网在通过网关，通过其他网关相应的其他节点，然后再跟服务器，应用可以把它全部组合成一个网，这样的话就是实现了云计算。云计算就是机子从某一个端口接入，只要一进入，这个网络的很多资源都可以用，它的任务分布在整个网络上进行运算。只要一接入，你就可以享用网络的一些服务了。这个就是我刚才说的物联网RFID，很多的闸门、图书馆、超市这些地方都有用。甚至在农业上面的监控温室，度、湿度、压力的检测要上网，这些都依靠RFID技术，这也是物联网的图。这里的应用面很多，交通、环境、公共安全。末端设备就是传感器、通信网络、控制器。中间键有个特点，能够屏蔽底层的东西。如果这个应用软件在底层的支撑下，可以通过中间键技术。比如说客户增加一些功能，你要去定制一些新的服务等等。这个架构非常好，中间键又可以屏蔽底层的东西，然后跟应用层开发就行了。所以物联网的领域是非常广泛的。 下面，我要重点讲一下数字家庭，数字家庭是用一些计算机的技术，把家居用一些无线的智能控制控制起来。比如回到家里，它可以帮你自动设置好适当的温度、还可以用语言去控制电器等等。这个属于我们数字家庭的概念，它的应用方向包括智能家居。智能家居主要针对家庭还有电子新潮的点子产品，网络、MP3、游戏机等，也属于数字家庭应用。通过宽带把互联网和一些外部的网进行网络互动，购物、网络电话等等都属于数字家庭的应用方向，智能家居只是一个应用方向，就是一套房间，有电视，有家庭智能服务器，这个服务器为所有家居提供相应的服务，接入到控制家居的家庭智能服务器还有控制器等等。在智能家居里头，传感器非常多，有摄像头、空调、温度、灯光，还有烟雾、煤气、窗帘把它们联网，甚至可以不操作。比如，现在灯光比较暗，窗帘自动的把它提升起来。或者是窗帘打开还不够，灯可能就会亮，就是可以互相之间来操作。还有一个要考虑，就是服务机器人将来对于家庭智能怎样很好的应用，像珠江新城就有一两栋实现了智能家居，我在报纸上看到过，全部用数字家庭的概念去做。从全球来说，很多国家比如美国、韩国、日本等等，都在进行这方面的研究，我们国家目前还是在进行安防方面的研究。安防方面很多楼盘已经用到，但是灯光，窗帘，家电、互动还是没有普及，但是，将来中国的市场会往数字家庭产业发展，因为大家的生活水平在不断提升，对生活的质量要求也在不断提高。这方面肯定要进行最终的发展和普及应用，这是一个趋势。所以说数字芯片、智能家居、网络设备运营很有商机。数字家庭目前分成三种比较典型的技术方案，PC架构，单片机架构还有嵌入式架构，这里说的嵌入式架构基于嵌