（计算机科学与技术专业论文）嵌入式java芯片的设计及其关键技术的研究.pdf

些丝竺丝塑型型鲨圣一 摘要 ij a v a 技术以它平台无关、安全可靠等多种优点而得到越来越广泛的 廊用，随着后p c 时代的来i 临嵌入弋系统面i 晦着许多新的挑战，j a v a 技术足 对付这些挑战的有效手段。但是，通过纯软件手段来实现j a v a 虚拟机无法满 足嵌入式系统的要求，因此，设计新的针对j a v a 优化的处理器是一种理想的解 决方案。 j a v a 虚拟机独特的特征使j a v a 芯片的设计面l 瞄着很大的挑战，从目前已 经丌发出来的j a v a ：毒片柬看，它们要么硬件过于复杂，功耗较大，要么因对j a v a 虚拟机支持不够而不能获得较好的j a v a 性能，这些问题的存在促使我们寻求 新的实现途径矗 通过对即时编译技术的深入分析，木文提出了一种新的设汁思路：采用简 化的“瘦型”即时编译技术来使硬件设计摆脱j a v a 虚拟机固有的性能缺陷， 根捌r i s c 的没计原则对新的芯片体系结构进行最优化的设计，使它具仃结构 简单，性能高效的优点，能较好支持本地程序的运行。同时，通过对1 a v a 虚 拟机进行适当的支持，有效提高编译后代码的性能，减少芯片与j a v a 虚拟机 之间在体系结构上的差异，从而有效简化即时编译器，减少即时编译时问，降 低内存开销，并通过采用编码密度较高的指令系统来抑制编译后代码的扩张问 题，支持类库预编译技术，进。步减少内存丌销，降低即时编译器编译工作量 优化类库方法的编译后代码，有效提高系统的j a v a 性能。根据上述思想，我 们设计了j c 4 0 1 原型系统。附它的总体结构、内存模型、寄存器组织、指令 系统、c a c h e 组织、整数单元、浮点单元、堆栈寄存器溢出处理单元和j c 4 0 1 的例外处理机制进行了具体的设计。j 在j c 4 0 1 中，通过使用可变长寄存器窗口的组织形式，既保持了通用寄 存器高效的数据访问能力，又有效支持了j a v a 虚拟机的堆栈结构，简化了即 时编泽器的寄存器分配算法，消除了力法调用时需要进行的参数传递和寄存器 保存过程降低了这些指令的编泽复杂度，减少了编译后指令数日。 在j c 4 0 1 中，通过适当的对象域组织方法，并通过设置对象引用的非零 检测逻辑，完成对象为空的异常检查，可以把这些复杂的面向对象指令编译成 简单的内存访问指令，提高了编译后代码性能，节约了内存开销。 为了_ 提高另一类占有较大比例的复杂指令力法调用指令的编泽后代码 性能，在j c 4 0 1 中对它们进行了有效的支持，大大提高这些指令在编译后的 性能。 花j c 4 0 | 中，通过硬件支持j v m 堆栈结构及其部分指令，使j c 4 0 1 在保 第1 页 国防科学技术人誓：研究生院学位论文 持r i s c 简单高效特征的同时，在体系结构上缩小了与j v m 的差异，通过软 件。【：的优化设计，使j c 。j i t 更加简洁高效，既减少了它的运行时问，节约了 内存开销，又提高了它产牛的代码性能。 通过在j c 4 0 1 指令系统中为比较常用的部分指令设冒相应的1 6 位j 三缩指 令，有效提高了指令编码密度，减少了编译后代码所占的空问，使j a v a 类库 的静态预编泽成为可能，在适当软仆的配合f ，减少了类库预编译后类结构占 用的窄问，大大减少了即时编译器需要编译的方法，有效提高了类库中备j a v a 力泾i 彬j 性能。 为了支持j a v a 虚拟机中线程同步机制的性能，侄j c 4 0 1 中设立了简单硒 效的监视器后备寄存器，以较小的硬件代价获得较大的性能提高。 根掘j c 4 0 1 的特点，采用了多层次、高效、实时性好的垃圾回收策略t 对非j a v a 的本地程序采用了传统的可以进行精确调控的主动内存释放方法； 对j 二需要内存不大的j a v a 程序采取一次性回收方法；对j a v a 程序运行时使用 较多内存的情况，j c 4 0 1 对算法简单、离效、实时性好的三色标记法进行了适 当修改，减少了一次回收的工作量，获得更加平滑的可用内存。 性能测试和评估结果表明：根据我们的设计思想设计的j c 4 0 1 是行得通 的，与其它设计方法相比具有较大的优势，能以较小的硬件代价获得更好的性 能，能较好满足嵌入式系统在后p c 时代的应用需求是一种有效且切实呵行 的j a v a ：薛片实现途径。二 关t 谲l j a v a ，j a v a 虚报机，嵌入式系统，j a v a 芯片 蒴i i 页 a b s t r a c t j a v at e c h n o l o g yi sb e i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yd u et oi t s m e r i t so f p l a t f o r m i n d e p e n d e n c e ，s a f e t y a n dr e l i a b i l i t ye t c a l o n gw i t ht h ec o m i n go f t h ep o s t p ce r a e m b e d d e ds y s t e m sa r ef a c i n gm a n yn e wc h a l l e n g e s j a v ai st h ee f f e c t i v e s o l u t i o nt oc o p ew i t ht h e m h o w e v e r , i tc a n ts a t i s f yt h ee m b e d d e ds y s t e m sw h i l e i m p l e m e n t i n gt h ej a v av i r t u a lm a c h i n eb yp u r es o f t w a r em e t h o d t h e r e f o r e ，i ti s a l l i d e a la l t e r n a t i o nt od e s i g nan e wk i n do f p r o c e s s o ro p t i m i z e ds p e c i f i c a l l yf o rj a v a r h e s eu n i q u ef e a t u r e so ft h ej v m p r e s e n tc h a l l e n g e s t od e s i g naj a v ac h i p t h e j a v ac h i p sd e v e l o p e ds of o re i t h e ra r et o oc o m p l e xt or e a c ha l la c c e p t a b l el o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，o rf a i lt oa c h i e v eg o o d j a v ap e r f o r m a n c ef o rl a c ko f a d e q u a t es u p p o r t o ft h ej v m a i lt h e s ep r o b l e m sa c t u a t eu st oe x p l o r ead i s t i n c ti m p l e m e n t a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ej u s t i n t i m e ( j i t ) c o m p i l i n gt e c h n i q u et h o r o u g h l y w e p r o p o s ea n e wi d e a t h a ti s t oa d o p tt h es i m p l i f i e d “t h i n j 1 tc o m p i l e r , w h i c hc a n g e tr i do f j v m si n h e r e n tp e r f o r m a n c ef l a w s w ec i mo p t i m i z et h en e wa r c h i t e c t u r e o ft h ej a v ac h i pa sf a ra sp o s s i b l er e f e r r i n gt ot h ep r i n c i p l eo fr i s c s ot h a tt h ec h i p w o u l db es i m p l ei ns t r u c t u r eb u te f f i c i e n ti np e r f o r m a n c ea n dc a p a b l eo f s u p p o r t i n g t h er u n n i n go fn a t i v ep r o g r a m sb e t t e r s e c o n d ，w ep r o v i d ep r o p e rs u p p o f lt ot h e j v ma n dd e c r e a s et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ej a v ac h i pa n dt h ej v mi na r c h i t e c t u r e t o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fj i t e dc o d e s ，s i m p l i f yt h ej i tc o m p i l e r , d e c r e a s e j i t sr u n n i n gt i m ea n dr e d u c em e m o r y c o s t s t h i r d ，t or e s t r a i nt h ej i t e dc o d e sf r o m e x p a n d i n g ，w ei n t r o d u c ean e w i s aw i t hh i g h e rc o d ed e n s i t y a n dw e t r yt os u p p o r t t h ep r e c o m p i l i n go fj a v ac l a s sl i b r a r i e s ，s ot h a tt or e d u c em e m o r yc o s t sf u r t h e r c u t d o w nt h ew o r k l o a do fj i tc o m p i l e r o p t i m i z et h ec o m p i l e dc o d e so f j a v am e t h o d si n c l a s s l i b r a r i e s ，a n di m p r o v e t h ej a v a p e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y b a s e d o nt h e a s s u m p t i o n sm e n t i o n e da b o v e w eh a v ed e s i g n e d 蛐p r o t o t y p es y s t e mn a m e d j c 4 0 1 a n dh a v ef i n i s h e dt h ed e s i g n so ni t s a r c h i t e c t u r e ，m e m o r ym o d e l ，o r g a n i z a t i o no f r e g i s t e r s i s a ，c a c h e s ，i n t e g e ru n i t ，f l o a t p o i n tu n i t ，s t a c ko v e r f l o w i n gp r o c e s sn n i t a n d e x c e p t i o n sp r o c e s s i n gm e c h a n i s m b yt h ea p p l y i n go fv a r i a b l el e n g t hr e g i s t e rw i n d o w , j c 4 0 1n o to n l yp r e s e r v e t h ea b i l i t yo fe f f i c i e n td a t aa c c e s si ng e n e r a lr e g i s t e r so r g a n i z a t i o n ，b u ta l s os u p p o r t t h es t a c ka r c h i t e c t u r eo fj v m e f f e c t i v e l y a l lt h e s es i m p l i f yt h ea l g o r i t h mo fr e g i s t e r a l l o c a t i o ni nj i t c o m p i l e r ，a v o i dt h e c o u r s eo fp a r a m e t e rp a s s i n ga n dr e g i s t e r s s a v i n g w h i l e i n v o k i n g m e t h o d s 。r e d u c et h e c o m p l e x i t y o f c o m p i l i n g t h e s e 第l i l 页 i n s t r u c t i o n s a n dd e c r e a s et h ea m o u n to f j i t e dc o d e s b yt h ep r o p e ro r g a n i z a t i o no fo b j e c t sf i e l d sa n d t h en o n z e r oc h e c k i n gl o g i c f o r o b j e c t r e f e r e n c e ，j c 4 0 1c a n c o m p i l e a l lt h e s e o b j e c t o r i e n t e dc o m p l e x i n s t r u c t i o n si n t os i m p l em e m o r ya c c e s si n s t r u c t i o n ，w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o fj i t e dc o d e s ，a n ds a v e st h em e m o r yc o s t s i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f c r m a n c eo fj i t c dc o d e so fa n o t h e rs o r to fc o m p l e x i n s t r u c t i o n s 。t h em e t h o di n v o k i n gi n s t r u c t i o n s ，j c 4 0 1p r o v i d e se f f e c t i v es u p p o r tt o t h e s ei n s t r u c t i o n sa n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fj i t e dc o d e so ft h e mg r e a t l y b y t h eh a r d w a r es u p p o r tt os t a c ks t r u c t u r ea n ds o m ei n s t r u c t i o n si nt h ej v m j c 4 0 1m a i n t a i n sr i s c sa d v a n t a g e so fs i m p l i c i t ya n de f f i c i e n c y r e d u c e st h e d i t i e f e n c ef r o mt h ej v mi na r c h i t e c t u r e b yt h eo p t i m i z a t i o ni ns o f t w a r e ，j c j i t b e c o m e sm o r es i m p l ea n de f f i c i e n t n o to n l yt h el a i nt i m ea n dm e m o r yc o s t sa r e r e d u c e d b u ta l s ot h ep e r f o r m a n c eo f j l t e dc o d e si si m p r o v e d b ys e t t i n gu p1 6b i t sc o m p r e s s e di n s t r u c t i o n sf o rt h ec o m m o ni n s t r u c t i o n si n j c 4 01 t h e i n s t r u c t i o n s c o d i n gd e n s i t yi si m p r o v e de f f e c t i v e l y , t h u st h es p a c eo f 、l l t e dc o d e si sr e d u c e d ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et op r e - c o m p i l ej a v ac l a s sl i b r a r i e s s t a t i c a l l y w i mt h ec o o p e r a t i n go fp r o p e rs o f t w a r e j c 4 0 1r e d u c e st h es i z eo fc l a s s s t r u c t u r ea f t e rt h ec l a s s e sa r ec o m p i l e d ，a n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fj a v a m e t h o d si nc l a s si i b r a r i e s t os u p p o r tt h et h r e a ds y n c h r o n i z a t i o ni nt h ej v m ，w es e t 叩t h es i m p l ea n d e f f e c t i v em o n i t o rb a c k u pr e g i s t e r si nj c 4 0 1 t h ep e r f o r m a n c eo fm o n i t o ro p e r a t i o n c a nb ei m p r o v e dg r e a t l yw i t hl i t t l eh a r d w a r ec o s t s a c c o r d i n gt ot h ef e a t u l e so f j c 4 0 1 ，w e u s eag a r b a g ec o l l e c t i o ns t r a t e g yt h a ti s m n l t i - l a y e r e d ，e f f e c t i v ea n dg o o d a tr e a l t i m ep e r f o r m a n c e w e a d o p tt r a d i t i o n a la c t i v e m e t h o dt of r e em e m o r yf o rt h ej a v ap r o g r a m sw h i c hn e e dn o tt o om u c h m e m o r y ，w e u s et h em e t h o dt oc o l l e c tg a r b a g eo n l yo n c e n l i sa p p r o a c hr e d u c e st h ec o s t so fg c g r e a t l y i fj a v ap r o g r a m su s ee x c e s s i v em e m o r y , w eu p d a t et h e t r i c o l o r - m a r k i n g a l g o r i t l u n w h i c hi ss i m p l e e f f e c t i v e a n df i n ei nr e a l - t i m e t h ew o r k l o a do fe v e r y c o l l e c t i o nc a nb ed e c r e a s e d ，a n dt h es y s t e mw i l lg a i nm o l es m o o t hu s a b l em e m o r y 1 _ h er e s u l t so fp e r f o r m a n c et e s ta n de v a l u a t i o ns h o wt h a tj c 4 0 lb a s e do no u r d e s i g np r i n c i p l e i sf e a s i b l e i th a s a d v a n t a g e so v e r o t h e r d e s i g ns c h e m e s ，c a n a c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c ew i t hl o w e rh a r d w a r ec o s t s ，a n dc a ns a t i s f yt h ed e m a n d s o fe m b e d d e ds y s t e m si nt h ep o s t - p ce r a i ti sp r o v e dt ob eas o r to fe f f e c t i v ea n d f e a s i b l ea p p r o a c ht oi m p l e m e n tj a v a c h i p k e y i l o r d 8 ：j a v a ，j a v av ir r u m ii i = n h i n e e a b e d d a da y a t e m = j a v ao h i p 第1 v 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 随着微电子技术的不断发展与人类社会的持续进步，嵌入式系统的功能不 断加强，应用范围不断扩大，特别是近年来，随着i n t e r a c t 技术的广泛使用， 人们对信息的需求不断强化，对嵌入式系统提出了更高的要求，嵌入式系统嘶 临着i j i f 所未有的机遇和挑战，嵌入式系统要获得长足的发展，追切需要解决它 本身存在的问题。 j a v a 的出现给嵌入式领域带来了新的希望，如何在嵌入式系统中引入j a v a 技术充分发挥j a v a 的优势有效解决嵌入式系统中存在的问题，是当今j a v a 应用研究的热点，重新设计新的处理器，在硬件上支持j a v a 是这一研究领域 的重要方向，并因为它其有很大的市场潜力而得到了大量的研究，本课题的研 究也i i 是所有这些努力| l 的部分。 1 1 研究背景 池f - j a v a 技术本身具有许多适应“后p c 时代”需要的特征，具备了较好 的应用基础，对于二嵌入式系统柬说，支持j a v a 技术不仅是应用提出的要求， 也是解决它自身问题的一种较好的途径但是，目前的应用与研究情况表明， 仃现有的系统中引入j a v a 支持仍存在较多的问题，不能满足嵌入式系统的应 用需求，因此，设计新的面向j a v a 优化的处理器是种较好的解决办法。 1 i 1 j a v a 语言简介 和许多其他新生事物样，j a v a 的出现也有它的偶然性和必然性。回顾j a v a 的历史，j a v a 的前身0 a k 的设计目标只是想提高消费类电子产品的j 1 ：发效 ；棼j 软件的灵活性，该计划盯r 与t i m e w a r n e r 有线电视公司在，f 发交可：式电 视发桥方而的合作失败而芹不多h f i 死腹中。i n t e r n e t 的迅猛发展造就了j a v a ， 它往甲台无关、安全性等方嘶的优势：非常适合这新的发展领域的需要，它能 使w e b 页更具有交互性，这种短小i | j 效率商的程序能及时通过w e b 被发送到 f t 何种类的计算机上运行。 j a v a 之所以能从一个几乎失败的计划中脱颖而出，其必然性在于：i n t e r n e t 技术的迅速发展与普及，使得人们对多平台互操作性的需求更为迫切，软件刀： 发商必须为不同平台的兼容付出很大的代价，使用者也为应付各种不兼容的软 件而烦恼因此，j a v a “编写一次，随处运行”( w r i t eo n c e ，r u ne v e r y w h e r e ) 的 第l 页 国防科学技术人。研究生院学位论文 特点是其迅速走红的丰要内冈，i n t e r n e t 时代新的需求是它成功的强大外因。 通过不断的改进提高，目前j a v a 已经基本成熟，并具备了较好的应用基 础。酋先，j a v a 语言已经稳定，s u n 也成为了相关规范的提供者和管理者。其 次，j a v a 得到了、泛的廊用，一：牛了许多j a v a 相关技术，如提高企业丌发效 率的j a v aa e a n s 1 l 技术，可以支持即插即用和分布计算的j i n i 2 与j a v as p a c e 技术，在服务器端运行的j a v as e r v l e t 技术等出现了针对不同应用领域的j a v a f 集，包括用于个人设备的p e r s o n a lj a v a 舰范，用于嵌入式设备的e m b e d d e d j a v a 舰范f 3 】，用于智能卡市场的j a v ac a r d 规范，也出现了许多支持j a v a 的新 掣设备。可以说，j a v a 是有史以来发展最快的技术，在较短的时间内就得到 了广泛的应用。 j a v a 以最为流行的c + + 语言为蓝本，去除了c + + 中较难掌握及容易产生错 误的语玉特征，汲取了s m a l l t a l k 等 l i 向对象语南的优点，支持面向对象、多 线氍编秤、自动垃圾回收等高级语言特征，具有易于掌握、编程效率高、平台 尤关、安全可靠等优点f 4 。它的主要特点如下： 面向对象 面向对象技术是一种被越来越多地采用的技术，在9 0 年代得到了大量的 研究j 应用，严格说来，面向对象语音至少应该具有四个基本特征【5 】：封装 忡、多念性、继承性、动念联编。 j a v a 较好地支持了上述四种面向对象的基本特征，因丽是一种比较彻底的 曲向对象程序设计语言，可以享受到面向对象技术所带来的好处。另一方面， j a v a 还对面向对象技术中的难于掌握却使用较少的语言特征进行了简化，如 小随接支持多重继承，而引入了接l i ( i n t e r f a c e ) 的概念，可以通过接口的多 霞继承柬获得多重继承的好处，既简化了语言特征。又提高了程序运行效率。 随接支持多线程 随着微电子技术的发展，处理器性能大大提高，为了有效发挥这些硬件资 源的性能，多线程技术被广泛采用，为适应这种发展趋势，j a v a 在语言级对 多线程进行了支持。并在j a v a 虚拟机中相应提供了线程管理与同步支持机制， 作j a v a 的基本类库中也定义了t h r e a d 基本类，从而使多线程编程更加简单方 便。 操作平台尤关 由j ：历史的原因，实现小同平台的f 操作性是人们追求的梦想，但是直 没订得以顺利实现。为彻底实现i f 台允关j a v a 语言设计了一种中立的平台 j a v a 虚拟机( j a v av i r t u a lm a c h i n e ，简称j v m ) ，j a v a 程序都被编译成面 i h j i v m 这个统平台的代码。因为j a v a 虚拟机的机器码采用字节为单位编码， 此也被称为字节码( b y t e c o d e ) ，编译后的程序加上一些程序运行所必需的 第2 颤 堑些塑尘型型些鲨塑二：；一 价息和数据被打包成类史什( c l a s sf i l e ) ，这种格式可以被所有符合标玳的j a v a 虚拟机所口 5 ；r 1 1 6 1 7 1 。 高安j 牟= 性 z i ：i n t e m e t 时代中，网络以史尤i 】 例的j ；! l l 模渗透到人们生活的每个力i | i ， 网络安全也因此而面临着前所未有的j k 力，病毒、黑客已经是人所皆知的了， 随着电f 商务的广泛j 1 ：展，如何保证资余的安全，保护人们的隐私等网络安全 | u j 题是开展电子商务的重要前提，是i n t e r n e t 时代i ；i 进中需要解决的头号大事。 j a v a 对网络安全进行了充分的考虑，它在语言定义、代码验证、运行时系 统：个不同阶段设置了比较完善的关 来获得较高的安全性，使它成为最安全 f r , j 语吉之，适合于网络耶境卜使片j ，随着这方面研究的不断深入，在其他安 令技术的配合下，有望堵塞各种n j 能的入侵途径，成为种非常安全的环境 1 8 1 1 9 1 【1 0 】。 自动垃圾回收 在采用手工垃圾回收方法的系统中，程序员必须对使用的内存数据负责， 作需要的时候进行释放，这不但加蕈丁程序员的负扪，而且相当数量的程序“臭 虫”是由不适当的内存使用向造成的，如内存释放后还继续使用，或者是释放 了还存使用的内存而造成程序出错，而自动垃圾回收技术可以识别出不再被使 川的内存“士奇：圾”并进行自动川收，闪此，该技术可以减轻程序员负担，提 。c a j - t u t l 序可靠性，减少软件维护费用。j a v a 语言中支持自动垃圾回收，通过j a v a 虚拟机提供的内存管理机制实现自动的内存垃圾l l 收【ll j 。 即便j a v a 具有如此多的优点，但是对j a v a ；景的担忧似乎从未停止过， 花汁算机发展历史卜，曾有多少优秀的技术昙花一现，最终黯然退场，j a v a 能行例外呢? 这种担心确实是有道胖的，因为j a v a 刚出现时很不成熟，程序 b u g 、运行速度缓慢、内存丌销人，部，j i 发了不少的批评与信心的动摇，更糟 的是些既定标准制订者对它的敌视- j 打击，为摇篮中的j a v a 设置了许多致 命的障碍。 虽然困难重重，j a v a 却有它得以牛存的峰实基础，这种基础主要来自于 i n t e m e t 的需求，虽然有些惜代技术，但是j a v a 的光芒实在无法遮挡，还没 彳r 种技术可以真萨打败j a v a ，f 日时，既然有既得利益者的反对就必然有 其对立力量的支持，毕竟人们t 2 经充分认谚 到垄断对他们造成的伤害，因此 这种力鼍更加强大，j a v a 可以说是众单所归，占尽各种优势，套用一句话就 足：历史选择了j a v a ，我们相信，j a v a 的明天会更好。 第3 页 国防科学技术人学岍究生院学位论文 2j a v a 与嵌入式系统 i 1 2 1 无处不在的嵌入式系统 仆么是嵌入式系统昵? l l ，以从使j | j 的处理器芯片的作用来区分：嗽入式系 统般依赖j ：微控制器，其中微控制器般配备了r o m ，r a m ，i o 通道以 及其他可能的号j 材设备微控制器作为系统的一部分，嵌入在产品之中，列外 部f f j 输入信号和数掘进行分析，并通过，定的控制部件作出适当的反应。嵌入 系统。般使用4 8 1 6 位的处理器性能一般低_ f 桌面系统中配备的处理器。 如果从功能上来看的话，则嵌入式系统其有明显不同予p c 的特征：p c 一般 提供较大范围的各种技术，来满足较大范围的不同应用的需求，标准化、通用 件与对性能的不断追求是p c 领域的基本特征，而嵌入式系统则具体完成某一 特定的应用，并针对该应用采取最优的软硬件配置，在产品设计原则上追求针 对s 1 1 】应用的最优性能价格比与p c 系统的设计原则相去甚远【1 2 l 。 嵌入式产品涉及的范围很广，如移动电话、个人数字助理( p d a ) 、通讯 设备、网络终端、工控设备、家用电器等，随着人们生活水平的不断提高，以 改善人们生活质量，提高人们工作效率为目标的嵌入式产品呈现出了快速增长 的势头，在这些嵌入式产品中，普遍具有以下主要特征： 价格敏感 “jj i 嵌入式j ”品品种繁多，用途各异它不可能形成一种象p c 市场那样 高度统一的软硬件标准，每种产品也不可能被少数厂商控制，而形成较大的规 模，各厂商的进入也不存在象p c 市场那样的巨大的技术壁垒，因此，嵌入式 i h 场的竞争是非常激烈的，由于技术水平一般不太可能形成较长时删的优势， 整体价格往往是市场竞争的焦点，因此，嵌入式系统对价格具有高度的敏感性， 准能用更低的价格提供性能接近的产品，谁就能最终赢得市场。 资源受限 m 二嵌入式系统对价格比较敏感，而系统资源的配置直接影响着产品价 格，需要认真考虑系统的资源配置，i 司时。嵌入式系统一般以特定应用为目标， 心用需求比较明确因此钉可能在设计时对系统资源进行最优化的配置，在满 越j 。品功能需要的前提f ，最大限度的减少系统资源，还大量采用定制专门芯 片来最小化系统资源，达到降低总体成本、提高系统可靠性和减少功耗的目的。 低功耗 随着人们生活水平的提高，社会活动范围的扩大，以及人们对生产效率的 进。步莺视，愈来愈多的嵌入式产品被设计成便于携带的形式，人们通过这些 品叫以随时随地方便地获取和处理信息。为了便r 携带，一般需要采用体积 第4 页 国防 ：_ 术人j j 彬 究乍院学位论文 较小的电池来供电，只有降低系统功耗，才能具备较k 的电池使用时间，除了 采用提高电池容量、降低工作电压等技术外，如何最小化系统资源、简化芯片 结构也是非常重要的途径，在产品设计时需要专门考虑。 实时要求高 嵌入式产品，特别是涉及到关键任务的产品，如航空电子、军事技术、工 业控制等领域的产品，都需要对重要的事件进行快速的响应和及时的处理，也 就是要求具有较高的实时处理能力，在这些产品中，实时处理能力是系统设计 的核心，因为它们可能直接关系到生命财产的安全。 除了在硬件设计时要考虑具备较好的中断响应能力外，通过软件技术来完 成各类实时事件的及时处理是必不可少的，包括实时操作系统，实时调度评估 工具等，它们在实际系统中得到了广泛的应用，主要的生产厂商如w i n dr i v e r 系统公司、m i c r o w a r e 公司、m i c r o t e c 公司及i n t e g r a t e ds o l u t i o n s 公司等都是 这一行业的佼佼者。 集成度高 由于嵌入式系统对性能、价格、功耗、可靠性、体积等方面要求的不断提 高，在快速发展的微电子技术的配合下，系统集成度不断提高，大规模的集成 电路不断取代分立元件，集成度也在不断提高，采用定制、半定制、可编程等 技术的芯片大量涌现，近几年还出现单芯片技术。随着集成度的不断提高，嵌 入式系统将具有更好的性能，更低的价格，更低的功耗，其他方面的需求也能 得到更好的满足。 1 1 2 2 嵌入式系统的发展趋势 近年来，随着微电子技术的不断发展，以及“后p c 时代”轮廓的逐步显 现。嵌入式领域呈现出快速发展的势头，根据有关权威机构的预测，光嵌入式 戍用工具市场的增长就非常巨大，如i d c 公司预测：嵌入式工具市场将从】9 9 5 年的7 亿美元增长到2 0 0 0 年的1 6 亿美元，a r n o l d & h e n d e r s o n 公司则估计这 一市场将从1 9 9 6 年的2 5 亿美元成长到2 0 0 1 年的5 2 亿美元【1 3 】，虽然他们因 为估计方法的不同而在数据上存在差异，但是都揭示了嵌入式市场将得到快速 发展的未来。考虑到“后p c 时代”的新的特征及微电子技术的发展现状，嵌 入式系统将呈现出以下几方面的发展趋势： 产品种类不断丰富，应用范围不断普及 随着i n t e m e t 作为“第四媒体”地化的确定，i n t e r n e t 对人类的生活方式将 产生极大的影响，数字化生存已经成为社会普遍关心的热门话题，这种新的社 会基础设施使人们获得了前所未有的信息交互能力，信息唾手可得的梦想将成 为现实i n t e m e t 也不再是专业人士的专利，其应用范围开始扩大到整个社会， 第5 页 i l q 阢利0 一” 、，圳0 i 。1 饥 l 仑卫 为r 满足小州背景，不同应用场合对i n t e r n e t 的访问需求，p c 也不再是唯一 的工具，将出现可以在不同环境下为不同知识背景的人使用的新型应用设备。 这种发展趋势必将使消费类电子和嵌入式设备得到极大的发展，种类不断丰 富，使用将非常的普及。 据j u p i t e r 公司的预测【1 4 】，家用i n t e m e t 设备销售量将从1 9 9 8 年的3 2 0 万 台增长到2 0 0 2 年的3 7 3 0 万台。i d c 则预测，到2 0 0 2 年，非p c 设备的销量 将占所有w e b 相关设备销量的5 0 。另外，还将有3 亿台智能辅助设施、2 0 亿台消费者用电子设备( 无线电话、寻呼机和顶置盒) ，1 5 亿部交通工具和5 0 亿台家用电器，这些都给嵌入式市场描绘了一个十分广阔的前景。 性能不断提高 随着微电子技术的不断发展，集成度将不断提高，生产价格不断下降，嵌 入式系统在适当价格下可以获得的性能越来越高，具体表现在以下几个方面： 核心处理芯片位数更高 处理器的位数被用来作为评估处理器性能的指标之一，随着处理器性能价 格比的不断提高，以及对软件性能与开发效率的重视，嵌入式领域呈现出向高 位数处理器迁移的趋势，i d c 公司估计到2 0 0 0 年将有2 5 亿块3 2 位和6 4 位 处理器用于嵌入式应用，其他公司的预测也表明：3 2 位和6 4 位处理器将是嵌 入式处理器市场增长最快的部分。很显然，虽然位数较低的处理器还将大量使 用，但将会有越来越多的3 2 位和6 4 位的处理器嵌入到产品之中。 多种媒体处理能力的汇聚 随着数字化程度的迅速发展和网络带宽的不断提高，传统电器、计算机、 通讯三大行业出现了“三电合一”的趋势，要求传统的嵌入式产品不但要具有 较好的计算能力，还要能较好地处理数字信号与多媒体数据，也就是要求在同 一系统中汇聚各种处理能力，以达到多种功能的高度整合，满足未来发展的需 要。目前，由于微电子技术的发展，特别是单芯片技术的应用，在一种芯片中 聚合多种处理能力已经成为可能，并将得到广泛的应用。 功耗和体积不断减少 由于微电子技术的不断发展和低功耗技术的不断进步，嵌入式系统的功耗 与体积正在不断减少，在未来的发展中，这两方面的需求将会得到极大的满足， 并将继续追求更小、更省电的目标。 网络化、智能化程度不断提高 人类对完美的追求往往是无止境的，随着高性能芯片的采用，当嵌入式产 品可能提供更多的功能时，人们对产品灵活性、智能化的需求就丌始列入丌发 人员的议事n 程。使产品具有更i ：。硼0 智能，方便人们的使用，提高工作者的效 第6 页 率本束就是、j k 界提倡的“科技以人j , j 本”的精髓。在技术亍cr “i 勺前提卜，产品 将具有越柬越商的智能。 与此同时，网络化也是嵌入式应用的一个主要发展方向，由于应用不断复 杂化、智能化，相互密切协作的需求大大增加，在它们之问实现网络连接是必 然之路，例如，在集中体现来来应用需求的典型系统汽车中，就使用了越 柬越多的微处理器，目自口每部汽车中平均使用了1 6 个微控制器或微处理器， 而据m o t o r o l a 的估计，到2 0 0 0 年，这个数目还会增长到3 5 个，这些处理器 需要密切配合，d 能使汽车达到更大的安全性和舒适性。在工业自动化方面，为 了实现生产效率的提高和精确生产的需要，这种网络化的趋势也会更加明显。 网络化更为重要的动力是i n t e m e t ，随着i n t e m e t 技术的不断普及，传统的 生产、销售、娱乐、学习、生活方式都将围绕i n t e m e t 这种新的媒体进行重新 配置和改造，需要与网络连接的嵌入式系统会无处不在。 软件成为影响价格的主要因素 在硬件性能不断提高，成本不断下降，应用智能化、复杂化程度不断加强， 产品种类极大丰富，相互信息交流不断增加的情况下，软件将取代硬件而越来 越成为产品价格的主体。因此，以硬件为核心的成本控制思想会成为过去，而 转变为以软件成本为核心来指导产品的设计和生产。 这种变革必然会导致软件丌发方式与应用模式的巨大变革，例如，需要更 加高效可靠、配置容易、多平台能力好的标准化开发工具与应用软件，需要可 以容易地进行维护、升级的技术手段，需要适应多样化、网络化需求的新型应 用模式，等等，目前