智慧城市之路

    第33节：智慧城市三大技术基础（7 ）

    因此，有了嵌入式技术，才能使得智慧的能力从人扩展到物，嵌入式技术是
智慧城市的技术基础之一。同时，嵌入式技术的发展程度也是制约城市智慧能力
的一个因素，因为只有随着嵌入式技术的发展，才能使得设备更小、能耗更低、
处理能力更高，从而为更多物体扩展智慧能力。

    9.4.1 嵌入式技术的历史

    嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义，根据IEEE（电气和电子工程师协会）
的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”
（devices used to control ，monitor ，or assist the operation of equipment，
machinery or plants ）。由此可见嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以
涵盖机械等附属装置。目前国内对嵌入式系统的一个普遍被认同的定义是：以应
用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠
性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

    嵌入式技术是随着微型机的出现而开始发展起来的。计算机诞生于1946年，
在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的
大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器出现，计算机才出现了历史性的变
化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、廉价、高可靠性特点，迅速走出
机房。基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人
士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。
例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到
大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原
来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对
象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称为嵌入式计算机系统。因此，
嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到
一个对象体系中去。

    嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。20世纪70年代单片机的出现，使得
汽车、家电、工业机器、通信装置及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获
得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。

    从20世纪80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”
编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期、更少的开发资金和更高
的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。其中比较著名的有Ready System公司
的VRTX、ISI （Integrated System Incorporation ）的PSOS和IMG 的VxWorks 、
QNX 公司的QNX 等。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员
得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

    20世纪90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核
逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国
际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开
始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm
OS、WinCE 、嵌入式Linux 、Lynx、Nucleux ，以及国内的Hopen 、Delta OS等
嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式
操作系统软件出现。

    9.4.2 嵌入式硬件

    从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的
部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结
构包括MCU ，MPU 等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体
制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为未来嵌
入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP 到FPGA有着各式各样的品种，速度越
来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从
64KB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS ，封装从8 个引脚到144 个引脚
不等。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类。

    1.嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU ）

    嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU 演变而来的。它的特征是具有32位
以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不
同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除
其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性
高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX 、SC-400、Power
PC、68000 、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。其中Arm ／StrongArm 是专为手持
设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。

    2.嵌入式微控制器（Micro Controller Unit ，MCU ）

    嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从20世纪70年代末单片机出现到今天，
虽然已经经过了20多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然
有着极其广泛的应用。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。微控制器是目前嵌入式系
统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微
控制器。
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