縱談嵌入式技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

何宗鍵，同濟(jì)大學(xué)計算機系碩士。微軟公司W(wǎng)indows Embedded認(rèn)證講師。現(xiàn)任同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院講師，昭營科技有限公司技術(shù)顧問。在同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院負(fù)責(zé)“微軟——同濟(jì)嵌入式Windows工程中心”的科研工作。擅長基于Windows CE的嵌入式操作系統(tǒng)，熟悉手機，PDA和車載行業(yè)應(yīng)用。
最近，中國工控網(wǎng)（www.dream-chase.com）記者就嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)及其應(yīng)用專訪了何先生，得以領(lǐng)略嵌入式技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

何宗鍵先生
中國工控網(wǎng)：何先生擅長基于Windows CE的嵌入式操作系統(tǒng)的研究，請問相對于其它的嵌入式操作系統(tǒng)平臺，Windows CE有哪些優(yōu)勢？在工業(yè)控制等實時性要求較高的應(yīng)用中，Windows CE是否能夠勝任？
何先生：Windows CE是微軟于1996年推出的嵌入式操作系統(tǒng)，發(fā)展到今天，已經(jīng)有十多年的歷史了。微軟于2006年11月1日正式發(fā)布了Windows CE 6，在系統(tǒng)架構(gòu)上較以前的版本有了很大的變化，這也預(yù)示了Windows CE迎來了新的未來。
目前在使用的嵌入式操作系統(tǒng)非常多，它們各自有自己的特點和應(yīng)用領(lǐng)域，目前Windows CE在消費類電子產(chǎn)品中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。我覺得Windows CE的優(yōu)勢主要在于如下幾點：
(1) 易用開發(fā)和使用：Windows CE最大的優(yōu)勢是它出于最大的軟件公司微軟之手，憑借微軟多年的軟件開發(fā)經(jīng)驗，Windows CE無論對于開發(fā)人員還是對于最終用戶都十分友好。對于開發(fā)人員而言，Windows CE提供完整的IDE，幫助開發(fā)人員方便快速的完成操作系統(tǒng)裁減、應(yīng)用開發(fā)調(diào)試、系統(tǒng)集成發(fā)布等功能。這些過程幾乎涵蓋了嵌入式軟件開發(fā)的整個流程，因此非常有利于快速開發(fā)，并縮短產(chǎn)品上市時間（Time to Market）。對于最終用戶而言，Windows CE的界面和很多應(yīng)用程序都與大家熟悉的桌面Windows（9x系列，NT、2000、XP等）一脈相承。用戶可以方便的上手操作和使用。
(2) 豐富的功能模塊：Windows CE是一個模塊化的操作系統(tǒng)，微軟提供了幾千個功能模塊供開發(fā)人員選擇。這些模塊涵蓋了很多實用的功能模塊，例如：無線網(wǎng)絡(luò)連接、多媒體解碼播放、Internet瀏覽器、中文輸入法等。可以說無論開發(fā)手持MP4視頻播放器還是開發(fā)機頂盒、手機或是信息終端，Windows CE都可以快速完成。此外，Windows CE的社區(qū)目前也比較完善，Internet上有第三方開發(fā)的許多基于Windows CE的應(yīng)用。這些應(yīng)用不但擴(kuò)充了Windows CE的功能，也增加了Windows CE平臺的價值。
(3) 與微軟其它產(chǎn)品的交互：Windows CE不是一個單獨的產(chǎn)品，它可以與許多常用的微軟的產(chǎn)品進(jìn)行集成和交互。例如用戶依然可以用Word、Excel、PowerPoint辦公，依然可以用MSN Messenger聊天、用Outlook收發(fā)郵件……這給了用戶一個很好的使用體驗。
對于實時性，Windows CE從3.0開始就已經(jīng)支持硬實時了。Windows CE是一個實時操作系統(tǒng)，實時支持功能在以下幾方面提升了Windows CE的性能：(1) 支持嵌套中斷。(2) 允許更高優(yōu)先級別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級別的ISR完成。(3) 更好的線程響應(yīng)能力。
(4) 對高級別IST（中斷服務(wù)線程）的響應(yīng)時間上限的要求更加嚴(yán)格，在線程響應(yīng)能力方面的改進(jìn)幫助開發(fā)人員掌握線程轉(zhuǎn)換的具體時間，并通過增強的監(jiān)控能力和對硬件的控制能力幫助開發(fā)人員創(chuàng)建更好嵌入式應(yīng)用程序。
(5) 更多的優(yōu)先級別。256個優(yōu)先級別可以使開發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時序安排方面有更大的靈活性。
(6) 更強的控制能力。對系統(tǒng)內(nèi)的線程數(shù)量的控制能力可以使開發(fā)人員更好地掌握調(diào)度程序的工作情況。
因此，對于一般的實時性要求，Windows CE是可以勝任的，但是我認(rèn)為操作系統(tǒng)本身并不能保證某個系統(tǒng)是實時的。換言之，實時系統(tǒng)需要軟件和硬件的協(xié)作支持。操作系統(tǒng)只是實時系統(tǒng)的一部分。操作系統(tǒng)可以幫助創(chuàng)建實時系統(tǒng)，然而，僅僅是Windows CE或者任何其它的RTOS本身，并不會自動的把一個系統(tǒng)變成實時系統(tǒng)。

中國工控網(wǎng)：目前，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，市場應(yīng)用廣泛而分散；提供硬件的供應(yīng)商眾多，但產(chǎn)品雷同，導(dǎo)致競爭激烈。在您看來，嵌入式硬件技術(shù)發(fā)展趨勢是什么？應(yīng)怎樣開拓嵌入式應(yīng)用？
何先生：正如您所說，目前嵌入式產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，小到電子玩具，大到航天設(shè)備，每個領(lǐng)域都有各自的特點，要談嵌入式硬件的統(tǒng)一發(fā)展趨勢，實在是非常困難。我只談幾點自己接觸這個領(lǐng)域過程中的一些看法。
首先，一體化和集成性。SoC的迅猛發(fā)展讓我們看到了芯片的未來趨勢。在一塊芯片上集成許多IP core，不僅可以使嵌入式硬件設(shè)計更加簡單快速，對于嵌入式軟件，尤其是驅(qū)動代碼的復(fù)用，也是非常有用的。例如，昭營科技在即將推出的新的自主知識產(chǎn)權(quán)CPU中，集成了幾乎所有的常用外設(shè)控制器，這將極大地方便嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)。
其次，低功耗。隨著嵌入式系統(tǒng)功能的增強，功耗問題也變得越來越重要。在消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域功耗問題尤為重要。手機領(lǐng)域是一個典型的例子，智能手機在極大地增強了手機功能的同時，充電越來越頻繁也是一個嚴(yán)重的詬病。功耗問題的產(chǎn)生一方面是由于硬件本身帶來的功耗，更重要的原因可能是嵌入式系統(tǒng)沒有完善的電源管理。今后，針對某些具體行業(yè)應(yīng)用的電源管理模塊（包括軟硬件模塊），可能是嵌入式硬件領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。
第三，網(wǎng)絡(luò)化，智能化。Internet已經(jīng)改變了人們的生活，我認(rèn)為今后越來越多的嵌入式設(shè)備都會擁有互聯(lián)網(wǎng)接入能力。一方面，嵌入式設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)接入可以提供更多的功能，另外一方面，嵌入式設(shè)備也可以通過互聯(lián)網(wǎng)與其它嵌入式設(shè)備交互和集成。網(wǎng)絡(luò)在改變?nèi)藗兩畹耐瑫r，也在促進(jìn)著嵌入式領(lǐng)域的變革。
當(dāng)然，針對不同的嵌入式領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都自己的硬件發(fā)展趨勢，航天工控等領(lǐng)域要求硬件有更高的穩(wěn)定性；而汽車電子領(lǐng)域的硬件發(fā)展趨勢可能是如何與整車集成。這些都是值得具體討論的。

中國工控網(wǎng)：目前，嵌入式技術(shù)主要應(yīng)用在哪些行業(yè)？這些行業(yè)分別有哪些特點？
何先生：嵌入式技術(shù)近年來得到了飛速的發(fā)展，但是嵌入式產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，彼此之間的特點也相當(dāng)明顯。可以找到有很多相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隨口就可以說出許多行業(yè)：手機、PDA、車載導(dǎo)航、工控、軍工、多媒體終端、網(wǎng)關(guān)、數(shù)字電視……在這里我不可能列舉所有行業(yè)，只列舉幾個近年來發(fā)展比較迅速、與大眾相關(guān)的產(chǎn)業(yè)介紹。
手機領(lǐng)域：以手機為代表的移動設(shè)備可謂是近年來發(fā)展最為迅猛的嵌入式行業(yè)。甚至針對于手機軟件開發(fā)，還曾經(jīng)衍生出“泛嵌入式開發(fā)”這樣的新詞匯。一方面，手機得到了大規(guī)模普及，另一方面，手機的功能得到了飛速發(fā)展，3、4年前的手機功能與價格與現(xiàn)在就不能同日而語。隨著國內(nèi)3G時代的腳步日益臨近，可以預(yù)料到手機領(lǐng)域的軟硬件都必將面臨一場更大的變革。功耗、功能、帶寬、價格等都是手機硬件領(lǐng)域的熱門詞匯。從軟件技術(shù)角度來看，我認(rèn)為手機的軟件操作系統(tǒng)平臺會趨于標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。手機的應(yīng)用會愈加豐富，除了最基本的通話功能外，逐漸會包括目前PDA、數(shù)碼相機、游戲機等功能，更加趨向于成為個人手持終端。
汽車電子領(lǐng)域：隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，汽車電子近年來也有了較快的發(fā)展。但是不得不承認(rèn)，目前國內(nèi)的嵌入式車載領(lǐng)域的發(fā)展與國際相比差距還是比較大的。電子導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車電子中占據(jù)的比重比較大，目前導(dǎo)航系統(tǒng)在國外已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)近年來也已經(jīng)開始起步，可以預(yù)料未來幾年內(nèi)會有比較快速的發(fā)展。汽車電子領(lǐng)域的另外一個發(fā)展趨勢是與汽車本身機械結(jié)合，從而可以實現(xiàn)故障診斷定位等功能。
消費類電子產(chǎn)品：消費類電子產(chǎn)品的銷量早就超過了PC若干倍。并且還在以每年10%左右的速度增長。消費類電子產(chǎn)品主要包括便攜音頻視頻播放器、數(shù)碼相機、掌上游戲機等。目前，消費類電子產(chǎn)品已形成一定的規(guī)模，并且已經(jīng)相對成熟。對于消費類電子產(chǎn)品，真正體現(xiàn)嵌入式特點的是在系統(tǒng)設(shè)計上經(jīng)常要考慮性價比的折衷，如何設(shè)計出讓消費者覺得劃算的產(chǎn)品是比較重要的。
軍工航天：對于大多數(shù)開發(fā)者和用戶而言，這可能都是比較神秘的一個領(lǐng)域。的確，大多數(shù)人一生都沒有機會給F117戰(zhàn)機編寫控制程序。的確，軍工和航天領(lǐng)域是不為大眾所知的領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域里面，無論是硬件還是操作系統(tǒng)、編譯器，通常并不是市場上可以見到的通用設(shè)備，它們大多數(shù)都是專用的。但是并不代表這個領(lǐng)域落后，許多最先進(jìn)的技術(shù)最前沿的成果，往往都會用在這個領(lǐng)域。

中國工控網(wǎng)：在工業(yè)控制市場，嵌入式產(chǎn)品因其靈活的定制性、較低的成本，成為工業(yè)裝備制造市場的選擇之一，但二次開發(fā)、工業(yè)耐受性不足制約了其廣泛應(yīng)用，您如何看待嵌入式技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用？
何先生：對于工業(yè)控制領(lǐng)域，我本人以前參加過數(shù)控機床和流水線控制軟件的研發(fā)，對整個工控行業(yè)算不上專家，在這里僅談我個人的看法，談得不妥還有望有關(guān)專家、同行批評指正、相互交流。
工業(yè)控制是使用新興電子技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的典型代表。它涵蓋的范圍也比較廣：紡織、包裝、印刷、機床等等。對于工控領(lǐng)域的硬件設(shè)計開發(fā)，有在特殊的環(huán)境下可靠工作的挑戰(zhàn)，也有實時性、穩(wěn)定性等要求。對于軟件而言，不僅是工控領(lǐng)域，在許多嵌入式領(lǐng)域二次開發(fā)都是一個棘手的問題。我覺得一個可行的解決方案是建立與行業(yè)應(yīng)用相關(guān)的可重用構(gòu)件庫。例如針對數(shù)控機床領(lǐng)域，可以初步建立一些數(shù)控機床通用的構(gòu)件，例如儀表盤等等，先在數(shù)控機床行業(yè)達(dá)到重用。第二步，逐步提取跨行業(yè)通用的構(gòu)件庫，進(jìn)一步提高嵌入式軟件的復(fù)用性。當(dāng)然，這不是一日之功，需要嵌入式軟件工程師的共同努力。

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