嵌入式技术发展及产业链结构_赵定远

1、嵌入式技术发展及产业链结构赵定远(成都大学信息科学与技术学院,四川成都610106)摘要:嵌入式技术是目前发展最快的信息技术之一,也是国内软件产业发展最快的领域之一,其对制造业的发展和传统产业的技术提升起到了很重要的作用.文章就国内在嵌入式技术领域的发展现状、关键技术及行业产业链等相关问题进行了讨论.关键词:嵌入式;发展;产业链;结构中图分类号:TP39文献标识码:A0引言嵌入式技术是近年来IT领域发展最快的方向之一,嵌入式软件产业现已成为中国IT产业中的一个重要新兴产业和增长点.国内强大的电子信息产品制造业和巨大的信息化市场为嵌入式产业的发展提供了重要的机遇.目前,在3G、数字电视、网络设备

2、领域,以及制造业与传统产业技术提升等行业的巨大智能化装备市场需求下,嵌入式市场快速成长.1嵌入式产业的发展现状据有关统计数据显示,我国嵌入式产业自2000年以来,发展很快1-3.20002005年,我国嵌入式系统软件年平均增速达38%以上,2005年完成嵌入式系统软件收入535亿元,比2004年增长35%,占全部软件业务收入的13.7%.2005年我国软件产品出口达35.9亿美元,增长28.2%,其中嵌入式系统软件出口28.7亿美元,占全部软件出口的79.9%,拉动我国软件出口增长22.5个百分点.2006年全国软件100强企业的前10名中,以嵌入式软件产品为主的生产企业就占了6家,可以说,嵌

3、入式软件企业在软件行业中的比重越来越大.在2008年10月中国电子学会嵌入式系统专家委员会召开的工作委员会会议上,倪光南院士指出,中国电子信息产业2007年收入为5.6万亿元人民币,同比增长18%,但是其利润很低,原因之一就是对嵌入式系统关键技术的掌握上,不掌握嵌入式系统的关键技术,就不能形成产业链结构,就不能引领市场的发展.2007年嵌入式软件的收入占到了软件产业总收入的21%,占出口软件总额的68%,可见嵌入式软件的发展对中国软件产业发展的影响越来越大.在制造业领域,嵌入式技术和软件应用带来的影响日益扩大,智能化装备市场的巨大需求将制造业与嵌入式技术的发展紧密地连在一起,嵌入式技术也成为了

4、传统产业技术改造和提升的一个重要支撑技术,此外,3G市场的开放与网络技术的发展,信息家电与军事电子应用也对嵌入式技术有着极大的需求,因此,以嵌入式技术为核心的电子信息产业结构调整和优化升级是一件很重要的事情.2嵌入式产业发展关键技术4-72.1嵌入式操作系统嵌入式操作系统(EOS,Embedded OperatingSystem)是嵌入式系统发展的重要技术之一,EOS是一种系统软件,EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度,控制、协调并发活动,EOS具有可裁减性,能够通过匹配相关模块来满足系统所要求的基本功能,使操作系统的内存占有率最低.国外的嵌入式操作系统发展较早,一般分为三类:一类

5、是实时OS,一类是非实时OS,还有一类是开源的Linux系统,它既有实时OS,也有非实时OS.在各类嵌入式操作系统中,Microsoft WindowsCE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统;VxWorks是目前嵌入式系统领域实时性最好的系统;而pSOS属于WIND RIVER公司的产品,这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统,专为嵌入式微处理器设计,提供一个完全多任务环境,在定制的硬件上提供高性能和高可靠性,开发者可以根据操作系统的功能和内存需求定制成不同应用场合所需的系统,利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统;QNX是一个实时

6、的、可扩充的操作系统,它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程.3Com公司的PalmOS具有开放的操作系统应用程序接口(API),开发者可以根据需要自行开发所需要的应用程序;Micro-wave的OS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统,它提供了很好的安全性和容错性,与其他的嵌入式系统相比,它的灵活性和可升级性非常突出;Lynx Real-time Systems的LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统.国内嵌入式操作系统发展起步较晚,近年来具有完全自主知识产权的国产嵌入式操作系统取得了较大进展.例如,北京凯思昊鹏公司的Hopen嵌入式操作系统在手机、PD

7、A、网络计算等产品中得到应用;北京科银京成公司自主开发的DeltaOS也是国内具有代表性的嵌入式操作系统,该系统包括嵌入式实时内核、TCP IP系统、文件系统等组件,其分别在IC卡终端、飞行导航终端、便携式通讯终端以及军工产品中得到应用;SMARTOS是由浙江大学嵌入式中心研制的嵌入式操作系统,是一个可支持下一代SOC与多核芯片的实时多任务嵌入式操作系统.此外,基于开源的Linux嵌入式操作系统发展也很快,国内具有代表性的产品有宇龙计算机通信科技(深圳)有限公司的Linous(领驰系统),主要用于智能手机产品,中兴通讯的嵌入式Linux,北京大唐移动通信设备有限公司的用于其TD-SCDMA的L

8、inux系统.另外,嵌入式Linux还在网络计算机、PMP等领域得到普及应用.随着嵌入式操作系统的应用领域不断延伸,近年开始出现一批具有典型行业代表性的专用操作系统,如山东神思电子公司推出了S-6嵌入式操作系统,这种操作系统集成了丰富的I2C、PWM、ADC、UART、USB、MODEM等I O驱动及GSM、CDMA、PHS无线通信接口,主要应用于第二代智能卡身份证读卡机、智能公话、IC卡读卡器等信息终端行业应用.不同的操作系统在不同的应用领域活跃着,并没有形成完全的垄断,这就给我国嵌入式操作系统的发展提供了机遇.2.2嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统的硬件核心,一般分为:嵌入式微处理

9、器(Embedded Microproces-sorUnit,EMPU),嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU),嵌入式DSP处理器(Embedded DigitalSignalProcessor,EDSP)和嵌入式片上系统(SystemOn Chip SoC).EMPU一般是指通用CPU,在应用中将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留与嵌入式应用有关的母板功能,这样可以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,但嵌入式系统一般工作环境比较特殊,所以在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强

10、,以满足嵌入式系统的工作环境.MCU又称单片机,MCU以微处理器内核为核心,芯片内部集成了存储器、总线、总线控制器、定时器、计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出等各种必要功能和外设.单片机有各种系列,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装.这样做可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少功耗和成本.和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高.EDSP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

11、度也较高.目前,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.随着EDI的推广和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System on Chip(SoC).各种通用处理器内核将作为SoC设计公司的标准库,和许多其他嵌入式系统外设一样,SoC已成为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,这对于减小应用

12、系统体积和降低功耗、提高系统可靠性非常有利.2.3嵌入式支撑软件嵌入式支撑软件,是指用于帮助和支持软件开发的软件,通常包括数据库和开发工具,其中以数据库最为重要.嵌入式数据库技术已得到广泛的应用,随着移动通信技术的进步,人们对移动数据处理提出了更高的要求.嵌入式移动数据库或简称为移动数据库(EMDBS),是支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统.数据库系统与操作系统及具体应用集成在一起,运行在各种智能型嵌入设备或移动设备上,其中,嵌入在移动设备上的数据库系统由于涉及数据库技术、分布式计算技术以及移动通讯技术等多个学科,目前已经成为一个十分活跃的研究和应用领域.国际上主要的嵌入式移动数据

13、库系统有Sybase、Ora-cle等,我国嵌入式移动数据库系统以东软集团研究开发的嵌入式数据库系统OpenBASE Mini为代表.由于我国在该领域起步较晚,目前在技术上还存在较大差距.2.4嵌入式应用软件嵌入式应用软件,是指针对特定应用领域,基于某一固定的硬件平台,用来达到用户预期目标的计算机软件.由于用户任务可能有时间和精度上的要求,因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持.嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别,它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要,而且还要尽可能地进行优化,以减少对系统资源的消耗,并降低硬件成本.目前,我国市场上已经出现了各式各样

14、的嵌入式应用软件,包括浏览器、Email软件、文字处理软件、通讯软件、多媒体软件、个人信息处理软件、智能人机交互软件、各种行业应用软件等.嵌入式系统中的应用软件是最活跃的领域,每种应用软件均有特定的应用背景,尽管规模较小,但专业性较强,所以嵌入式应用软件不像操作系统和支撑软件那样受制于国外产品与技术垄断,是我国嵌入式软件的优势领域.3嵌入式产业链结构3,8,9嵌入式系统(Embedded Systems),是指以应用为中心,以计算技术为基础,软硬件可裁减以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统,它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的基于硅片的知识

15、集成系统.嵌入式系统无疑是当前最热门、最有发展前途的IT应用领域之一.嵌入式产业可大体分为嵌入式技术产业和嵌入式系统产业及代工产业,例如,IC代工业、PCB代工业等.嵌入式技术产业是各种嵌入式系统产品的技术基础,其包括:嵌入式IC设计生产(含嵌入式微处理器和SoC设计),嵌入式操作系统(RTOS)及嵌入式软件中间件行业,MEMS技术和智能传感器技术行业,嵌入式IP咨询服务和开发行业等(含EDA及开发工具业).嵌入式系统产业是建立在行业需求基础上的基于系统结构设计、功能设计和工程设计的产业.嵌入式系统产业分散于各个具体应用行业,嵌入式系统产品是以该行业系统和标准为基础,以适用的嵌入式技术为核心并

16、结合应用软件和系统集成开发为特征.目前,我国嵌入式软件产业也正面临巨大市场所带来的发展机遇,但就是这样一个举足轻重而又充满生机的产业,在有关专家、资深产业人士和相关企业家看来,仍然存在产业结构不合理、竞争力不强、专业化程度不高、产业链缺乏协作、产业标准尚未完善、政府扶植政策难以落实、企业规模偏小等问题,中国嵌入式软件产业期待整体突破.尽管产业规模比较大,但我国嵌入式软件产品主要依赖于终端制造厂商自产、自销、自用,市场化、专业化和社会化程度较低,这必然会导致标准不规范、不统一,造成产品兼容性较差.目前,我国的嵌入式系统产业链上存在断点,产业链上的产业协同不够,这是制约产业发展的关键问题之一.比如

17、,有的时候嵌入式软件企业找不到上下游企业,有了产品不知道卖给谁,想买产品也不知道向谁买,这很不利于整个产业健康发展,尤其是在集成电路芯片、软件和关键元器件等方面,基本上依赖于国外.要改变目前这种被动局面,一个重要的举措就是发展嵌入式软件,使原来生产的低附加值的设备变成智能化的高附加值的设备.从某种意义上来说,通用计算机行业的技术是垄断的,而嵌入式系统则不同,它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场,即便在体系结构上存在着主流,但互不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场的情况出现.因此,嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高

18、度分散的,这对各个行业的中小规模高技术公司而言,其创新余地很大.另外,现在国内嵌入式操作系统厂商普遍规模不大,难以与国际企业竞争.理想的发展模式应该是选择以合作开发技术、共同发展用户的方式,形成利益共同体,共同规划产业链,提供完善的开发环境.但目前的情况是,作为嵌入式软件厂商用户的设备厂商,其产品创新和市场开拓能力不足,新产品策划基本采取跟踪国外同类产品的方式,无法对国内嵌入式软件系统提出明确需求,这也导致国内嵌入式软件厂商在本地化和标准化建设方面进展缓慢.同时,在嵌入式软件厂商与自身上下游厂商合作的过程中,也出现了类似的问题.因此,在未来的嵌入式平台合作方式的选择方面,需要合作成员摸索一个以

19、市场导向为主,技术导向为辅的合作模式,开拓一个长期共赢的合作方式.4结语嵌入式软件是软件产业未来发展的一个主要方向,是一个应用越来越广,能够带来巨大经济效益和社会价值的技术手段.就目前的情况看,我国应该在关键技术和产业链结构方面投入更多的人力和资金,以国内市场为依托,以全球技术的发展和需求为导向,我国嵌入式软件产业的发展将会更好、更快、更稳健.参考文献:1谢诺.嵌入式系统的发展现状和展望J.无线电通信技术,2003(2):62-64.2石秀民,魏洪兴.嵌入式系统原理与应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.3邢涛,叶景楼,任永昌.嵌入式产业发展研究J.技术经济,2005(11):18-

20、19.4袁俊杰,曹作良.基于Linux嵌入式系统平发平台的建立J.天津理工大学学报,2006(3):26-29.5任伟,张毅,聂捷楠.基于嵌入式系统开发平台的设计与实现J.微计算机信息,2006(10):178-180.6邱继红,李煜新,孙泽均.嵌入式数据库在AFC系统中的应用J.铁路计算机应用,2008(4):41-43.7刘小军,李秀娟.嵌入式操作系统VsWorks的内存管理技术研究J.电子科技,2008(6):62-65.8彭道刚,张浩,江剑宁,等.基于ARM和Linux的嵌入式Web Server设计与实现J.机电一体化,2008(10):37-40.9曹来发.嵌入式芯片有望突破J.兵工自动化,2005(2):40-42.Development of Embedded Technology andthe Structur