移动“嵌”入佳境——吴朝晖教授纵谈嵌入式技术

问：有人说，后PC时代移动计算将无所不在，嵌入式技术的呼声也因此越来越高。您能否介绍一下嵌入式系统具有什么样的技术特点和应用前景？
　　答：嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的"器件"。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器(MCU)组成。而这些嵌入式CPU目前多是8位和16位的，与32位或64位的高性能处理器相比，具有很强的经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质（ROM和RAM等）、通讯设备、IC卡或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（Flash Memory）作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应用软件等。

　　总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。

　　后PC时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统就是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前景。嵌入式系统在传统的工业控制和商业管理领域已经具有广泛的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等；此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。它在娱乐、军事方面的应用潜力也是巨大的，而且是有目共睹的。

　　问：嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段，请您介绍一下这方面的情况。

　　答：应该说，进入90年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与Internet的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4个阶段。

　　第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。

　　第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小, 效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。

　　第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。

　　第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 　　
　　问：谈到嵌入式系统，我们接触最多的是Microsoft公司的Windows CE和3Com公司的PalmOS。您能否为我们介绍一下目前国内外嵌入式系统的研发现状以及他们各自的特色所在？
答：嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代，未来的几年里这种发展和竞争将达到白热化的程度。从嵌入式系统的技术和市场上来说，国外发展速度极快，技术日趋成熟，市场格局基本形成。而国内发展也增长很快，市场潜力很大。在国外，嵌入式系统硬件特别是嵌入式CPU处理能力提升较快，由8位、16位升级到32位与64位，掌上电脑、PDA、电脑手机、电脑汽车等新产品层出不穷，产业规模日益壮大。在国内，嵌入式系统关键硬件主要靠从国外引进，技术基础比较薄弱。然而以商务通为代表的PDA系统市场火爆，联想掌上电脑、海信机顶盒、数源机顶盒等系统进入市场后也获得用户好评，手机电脑市场前景看好。

　　国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，主要有PowerTV、PalmOS、Windows CE等，占据了机顶盒、PDA等的绝大部分市场。国内的嵌入式操作系统研究开发有2种类型，一类是基于国外操作系统二次开发完成的，如海信的基于Windows CE的机顶盒系统；另一类是中国自主开发的嵌入式操作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统Hopen OS（"女娲计划"）、中国科学院北京软件工程研制中心开发的CASSPDA以及浙江大学自行研制开发的嵌入式操作系统HBOS（"天堂之鸟"）等。

　　在上述这些操作系统中，Windows CE内核较小，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域。其优点在于便携性、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。内置的标准通信能力使Windows CE能够访问Internet并收发E-mail或浏览Web。除此之外，Windows CE特有的与Windows类似的用户界面使最终用户易于使用。Windows CE的缺点是速度慢、效率低、价格偏高、开发应用程序相对较难。

　　3Com公司的Palm OS在掌上电脑和PDA市场上独占其霸主地位，它有开放的操作系统应用程序接口(API)，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。

　　PowerTV操作系统也是一套占有很大市场份额的操作系统，是一个高级可缩放的实时操作系统，为网络操作员和应用开发人员提供了广泛的功能和更高的需求，它还可允许动态扩展和升级，以便提供新特性来适应市场需求。

　　Hopen OS是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核心Hopen Kernel一般为10KB左右大小，占用空间小，并具有实时、多任务、多线程的系统特征。

　　HBOS系统则是浙江大学自主研制开发的全中文的嵌入式操作系统，它具有实时、多任务等特征，能提供浏览器、网络通信和图形窗口等服务；可供进行一定的定制或二次开发，能为应用软件开发提供API接口支持；可用于信息家电、智能设备和仪器仪表等领域开发应用。基于该系统平台，已成功地开发了机顶盒和数据采集等系统。

　　此外，嵌入式数据库（或称移动数据库）也是一个非常重要的研究方向，一些商业数据库系统如Sybase、Oracle都已推出了移动数据库的产品，以支持嵌入式的数据处理的要求。国内也有些单位如中科院、人民大学、浙江大学等正在开展这方面的研究。在国内，大规模的嵌入式应用系统目前还非常少，预计今后系统应用将重点转向基于Internet的各种嵌入式应用系统和信息家电领域，包括浏览Internet、网上证券交易、IP Phone和VOD点播等等。

　　问：未来接入设备的多样化使得嵌入式领域较难形成垄断的局面，这对我国来说是一个很好的机遇，Hopen的日益成熟与完善就是一个很好的证明。那么，从产业的角度来看，您认为应该如何把握这一发展契机，改变我国在CPU、OS等自主产权方面相对匮乏的局面？

　　答：嵌入式系统将成为IT界的又一个焦点，开发中国自主产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，对于我们国家的民族IT工业来讲，将有十分重要的战略意义。我们应该抓住机遇，组织力量，重点出击，取得主动权。从目前国内IT市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和Internet衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。因此，嵌入式系统的市场争夺战，是未来后PC时代IT市场的关键之战。
嵌入式CPU是嵌入式系统的核心。拥有自己的嵌入式CPU和支撑硬件是发展自主产权嵌入式系统的前提条件和基础。操作系统是软件产业的基础和龙头，它能左右软件产业发展的方向，是世界软件产业最大的利润来源。研制自主版权的嵌入式操作系统意义重大，它可以摆脱PC时代我们被外国牵着鼻子走的局势，可以摆脱Wintel的束缚，使中国的IT行业真正走向成熟和自立。

　　我认为，对于嵌入式操作系统应尽早抓标准，既可防止不合国情的外国产品成为事实标准，也可防止出现无序竞争。在另一方面，嵌入式系统的硬件技术已经成熟，只要引进先进技术，根据专业性的特征，加以吸引和同化，就可以形成自己的嵌入系统硬件生产体系。此外，建议将嵌入式系统设计和开发列入产业发展计划，重点支持软件和芯片设计发展；在政府有关部门的支持下，建立嵌入式硬件和软件开发基地，创造良好的开发环境，集中优秀人才和先进技术。同时国内的软件开发商、硬件制造商、信息服务商、信息运营商应该结成联盟，形成产业链，产生总体优势，形成我们自己的竞争优势。

　　问：最后，您能否为我们展望一番嵌入式技术的发展趋势呢？

　　答：嵌入式系统的未来将向多媒体化和网络化方向发展，特别是与Internet和无线网络的结合；在智能化方面，基于知识的嵌入式系统也将是一个发展方向；此外，嵌入式系统的硬件系统体积越来越小，性能越来越高，功能越来越强，移动性也将越来越灵活。

　　在不久的将来，嵌入式系统应用将越来越多样化，为用户提供更多的选择方案。它不仅广泛应用于信息家电、工业、农业、商业、服务业等各行业，而且将渗透到社会和家庭的各个角落。嵌入式系统的未来将更加绚丽缤纷、丰富多彩。