1 发展前景
本文总结了 嵌入式系统 应用和若干技术进展，特别强调系统集成的观点对嵌入式系统应用对象的选择，以及嵌入式系统进行协调设计和网络互联等的贯穿思想，有助于嵌入式系统进行合理有较好性价比的软硬件分配，算法的选择，网络架构环境的搭建，使嵌入式系统在实际应用中有更好的发展前景。
信息和知识经济时代，使当今的计算机科学技术的发展越来越深入到国民生活的方方面面，特别高性能多核处理器、光纤与Myrinet等高速网络和高性能分布计算的标准工具推动了集群计算从高性能计算向高效能计算的转变。但如何管理调度庞大的资源集合，充分发挥每个部件的工作能力和降低系统耗能却成为亟待解决的问题，进一步如何使计算和通信无所不在并成为普通用户都能方便享用的服务，跨越移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件结构等多个研究领域的普适计算技术正在发挥着作用，当然还存在实现上下文感知和应用无缝迁移等问题需要解决。
另一方面，利用通信、嵌入式计算和传感器等技术，人们研制出了各种具有感知、计算和通信等能力的微型传感器，通过这些无线传感器网络人们可以在任何时间、地点和任何环境条件下协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽准确的信息，传送到需要这些信息的用户。因此，这种网络系统被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。
综上所述，嵌入式系统正是以其组网灵活﹑可靠性高﹑抗干扰能力强﹑低功耗和网络容量大等特点在计算机应用领域发挥着显著的作用，本文从商业应用层面小结嵌入式系统的应用研究现状，并结合计算机学科技术发展，从硬件，软件，集成架构和安全可靠性能等方面展望未来。
2 嵌入式系统以及应用现状
2.1 嵌入式系统与应用
嵌入式系统是一种面向应用、功能定制、资源受限、响应要求高、性能稳定、无自举开发能力，由硬件和软件两部分构成的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，应用对象系统指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。按产品的构成方式主要有如下四类：嵌入式微处理器（(Embedded MICroprocessor Unit，EMPU)﹑嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)﹑嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)和嵌入式片上系统(System On Chip，SOC)。嵌入式系统总体特点：（l）嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业。（2 ）嵌入式系统是面向用户，特定种类的产品和具体领域应用。（3）嵌入式系统对软件要求高。一般固化在存储器芯片中，多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。（4）嵌入式系统开发需要特定的开发环境和开发工具。（5）嵌入式系统软件需要实时操作系统(RTOS)开发平台。（6）嵌入式系统开发人员以专家为主。开发人员需要和各个不同行业的应用结合，要求计算机专业以外的更多知识，往往是各个应用领域的专家[9]。
目前，作为主流32位RISC嵌入式处理器，ARM（Advanced RISC Machines）以其高性能、低功耗的优势占据很大的市场份额。ARM处理器家族大致分为如下系列：ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore、strongARM、Xscale等。嵌入式操作系统除了通用操作系统的基本特点外，还满足嵌入式便携式设备所需的可裁剪性﹑可移植性﹑实时性和低资源占用性等特点，常用通用型嵌入式操作系统有Linux﹑VxWorks﹑Windows Embedded CE﹑PalmOS等，专用型嵌入式操作系统有Smart Phone﹑PocketPc﹑Symbian﹑Windows mobile等。国内凯思集团推出了“女蜗Hopen”已能支持所有主流的嵌入式芯片。嵌入式控制器体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到多个领域。
2.2 嵌入式系统的实例
2.2.1 嵌入式人脸自动识别系统
在智能家居或户外非布控点的嵌入式人脸识别系统中，相关研究人员采用Windows CE5.0操作系统和基于ARM微处理器的Liod开发平台硬件架构，以 OpenCV 为辅助开发工具实现了嵌入式自动人脸检测识别系统，设计中考虑嵌入式硬件设备、人脸样本的采集与筛选、识别算法等对嵌入式识别系统的性能和工作稳定性的影响。为解决在海量人脸库中进行识别的难题，设计实现了基于无线网络传输的远距离人脸识别系统。需要进一步改进是从系统设计角度由DSP芯片硬件完成人脸的检测和图像的预处理，改进人脸细节特征点描述，有效综合多种方法和其它生物特征的鉴别，可使嵌入式自动人脸识别系统达到低成本、低功耗、便携式等更好的目标[1][2] 。
2.2.2 分布式光纤管道安全监测系统
管道输送是一种经济方便的运输方式，在石油和天然气运输中具有独特优势，石油行业对长距离输油气管道安全预警系统的需求主要有以下：（1）对管道周边环境的长距离全天候的实时监控；（2）传感器采集的数据有智能信息处理的能力；（3）对新的地质环境及新的破坏手段的自适应能力。根据已有的监测系统，论文[8]提出长距离输油气管线安全预警系统的实现模型，信号采集、光电转换以及PGC解调由分布式光纤光相位传感系统完成，该系统同时进行振动源定位。解调后的土壤振动信号经USB口传入一块运行嵌入式Windows XP系统的855主板，在此系统上运行的程序实现土壤振动信号的分析与破坏性行为的模式分类。分类后产生的报警信号经串口发往值守报警终端FU，FU为一块运行嵌入式Linux系统的ARM板卡。与此同时，振动片段的原始信号以及破坏性行为的识别结果将通过网口传往FST（服务器），在FST上。每个FST接收来自8个基站的信号，即对应8个FU和8块855主板，这样，每个FST的监控距离达400Km，可实现区域级的管道安全监控与预警，通过FST的级联可实现国家级覆盖的管道安全监控与预警。
2.2.3 DNA序列分析嵌入式系统
二十世纪下半叶以来，分子生物学、分子遗传学和生物化学的迅猛发展，使人类对生命的认识逐步从器官、细胞水平深入到分子水平，DNA(脱氧核糖核酸)携带了生物体的基因信息，基因信息的提取即DNA测序，是现代分子生物学研究中的重要分支。从1986年美国能源部提出的人类基因组计划(Human Genome Project，HGP) [3]到进入后基因组时代，基因序列数据及蛋白序列数据正以前所未有的速度增长，人们对基因检测的需求越来越大，自二十世纪九十年代初开始的固态平板生物芯片技术、到基于毛细管电泳及微型全分析仪器系统 (micro total analytical system,μTAS)之上的现代检测技术[4] 。
基于微芯片的商品化DNA分析仪是DNA序列分析测定系统进一步发展的方向。微芯片与毛细管相比有许多优势：（l）可以在一块微芯片上一次同时制作多条通道，降低实现高通量并行检测的成本，且有利于大批量生产；（2）散热性好，提高电泳电压，降低所需分离长度，提高检测速度；（3）由于进样结构可以进行设计，优化样品的进样量，降低电泳中的区带展宽，提高电泳效率，且该结构使长DNA片断更容易进入微通道，从而提高其浓度，改善毛细管电泳中信号随着DNA片断长度增加而衰减的现象，从而提高信号的均匀性与信噪比；（4）微芯片尺寸小，形状固定，支承结构简单，有利于仪器的微型化；（5）微芯片的进样过程容易控制，更有利于系统自动化、智能化的实现；（6）易于与DNA检测中的样品处理步骤结合，形成集成化多功能的芯片实验室(Lab on a Chip)。研究人员使用嵌入式控制系统完成DNA分析仪的自动化控制操作和数据采集的功能，该系统核心器件为PhiliPs的LPC2142一个32/16位ARM7 TDMI-S CPU微控制器，四色16通道DNA荧光信号采集系统，通过振镜和自行设计的远心f-theta扫描物镜组成的光学扫描系统，实现多通道DNA快速并行检测。DNA荧光信号采集系统中集成了嵌入式系统，实现系统自动控制和与PC机的通信，采集到的DNA荧光信号图谱可以在PC机中实时显示，实测信噪比为26.91dB，达到国外同类产品的水平[5][6] 。
2.2.4 基于模型的汽车光纤传感智能环境感知系统
以汽车电子控制系统作为实现模型的硬件平台，符合汽车电子行业公认的OSEK标准的操作系统作为实现模型的软件平台，研究人员研究在基于模型的汽车电子软件开发中使用复杂事务模型时的模型综合问题，包括分布式环境中多资源约束的模型综合方法和能量节省的模型综合方法，即基于模型汽车电子软件开发环境SmartOSEK IDE v3.5中模型综合的理论框架－MOSAES以及与MOSAES相关的模型：结构模型、平台模型、实现模型和约束模型等，该方法包括构件分配和实现模型生成两个阶段。首先，在满足处理器的计算资源、内存资源约束和保持计算密度平衡的条件下把构件分配到处理器上，然后以满足定时约束为目标生成实现模型。构件分配和实现模型生成是一个回溯的过程。此外，提出了混合调度方式和分组调度方式下，任务段之间不连续时，事务的定时验证方法，以满足分布式环境中验证定时约束的需要[10] 。
3 嵌入式系统 的架构
3.1 嵌入式系统的软硬件
嵌入式系统的核心是嵌入式数据处理硬件及与之配套的嵌入式软件，嵌入式系统的硬件可采用三种CPU方案满足不同要求，它们分别是：微控制器、现场可编程逻辑门阵列（ FPGA ）以及专用集成电路（ASIC）。如今具有计算功能的芯片替代微控制器现场可编程逻辑门阵列（FPGA）以及专用集成电路（ASIC）都采用了硬件化的布尔逻辑算法并具有高度的适应性，能够实现相当丰富的逻辑功能。再者，它们都可通过诸如VHDL和Verilog之类的标准硬件描述语言（HDL）进行编程，不必动用由第三代或更高级编程语言编写的软件进行编程。一款FPGA平台适用于多种产品，从而起到了平衡开发成本与资源的作用[11] 。目前基于FPGA的嵌入式系统的设计比较有影响和特点的4款嵌入式CPU 软核分别是NioS/Nios2、MicroBlaze、Leon2/Leon3和OpenRISC1200，其中Nios 系列配置灵活，可满足大范围的速度、面积的需求；MicroBlaze 配置选项少，但是比相同功能的Nios 系列的性能要高一点；Leon 与主流通用CPU 兼容，因此软件资源丰富，主频一定时，性能可得到保证；OpenRISC 不与任何其它CPU 的指令集兼容，对用户自定义指令的支持很好，可应用在一些安全要求高的环境。软件开发都使用GNU 或者GNU Pro 交叉编译开发包，并且都有Linux 或者uClinux 操作系统的支持，因此软件开发不需要重新学习新的开发环境，并且有大量的免费、开源的资源。
