物聯網知識之智能嵌入技術
智能嵌入技術-嵌入式技術
基本概念
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。
基本特點
嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件（OS）（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。
1.嵌入式系統通常是面向特定應用的 嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的 系統中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網絡的耦合也越來越緊密。
2.嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。
3.嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力
4.嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。
5.為了提高執行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。
6.嵌入式系統本身不具備自舉開發能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發工具和環境才能進行開發。
智能嵌入技術-在家居中的應用
控制器(MCU)已經在家庭和工業的各個領域得到了應用,通稱嵌入式系統,因為計算機芯片是嵌入在有關的設備中的,沒有自己獨立的外殼。目前大多數嵌入式系統還處于單獨應用的階段,以MCU為核心,與一些監測、伺服、指示設備配合實現一定的功能。Internet現已成為社會重要的基礎信息設施之一,是信息流通的重要渠道,如果嵌入式系統能夠連接到In[FS:PAGE]ternet上面,則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。隨著嵌入式技術的不斷進步和更廣泛的運用,嵌入式系統在智能家居中的運用也會隨之有更加廣闊的發展前景。
嵌入式技術的概念
嵌入式技術是將計算機作為一個信息處理部件,嵌入到應用系統中的一種技術,也就是說,它將軟件固化集成到硬件系統中,將硬件系統與軟件系統一體化。嵌入式具有軟件代碼小、高度自動化和響應速度快等特點,因而進入21世紀后其應用越來越廣泛,例如,各種家用電器如電冰箱、自動洗衣機、數字點電視機、數碼相機等廣泛應用這種技術。
嵌入式系統是指將應用程序、操作系統與計算機硬件集成在一起的系統。它以應用為中心,以計算機技術為基礎,而且軟硬件可以裁剪,因而是能滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統。這種系統具有高度自動化,可靠性高等特點。嵌入式系統主要由硬件和軟件兩部分組成,嵌入式系統的硬件主要包括以下幾個模塊,嵌入式核心芯片(嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數字信號處理器、嵌入式片上系統) 、存儲器、I/O 端口等。而嵌入式系統軟件由嵌入式操作系統和相應的各種應用程序構成。有時把這兩種結合起來,應用程序控制著系統的運作和行為,而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。
嵌入式核心芯片的特點
嵌入式的關鍵部分還在于核心芯片的選擇,嵌入式核心芯片的特點有:
(1) 可擴展的處理器結構,以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。
(2) 嵌入式微處理器必須功耗很低。
(3) 對實時多任務有很強的支持能力。
(4) 具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用,需要設計強大的存儲區保護功能,同時也有利于軟件診斷。
嵌入式技術,在家庭智能控制系統中的應用,特別是DSP 的應用和發展,使得系統的語音和圖像處理能力大大增強,不僅可以最大限度地利用硬件投入,而且還避免了資源浪費。嵌入式技術的應用,使得系統的架構更加清晰簡捷。系統的軟件采用分層設計,不僅方便維護,而且大大提高了代碼的利用率, 縮短了開發周期。此外,由于嵌入式技術是伴隨In2 性能,可以增加更多的網絡應用。嵌入式Internet 的廣泛應用必將使家居控制變得更加自動化、智能化和人性化。
嵌入式技術是在Internet的基礎上產生和發展的,因此它具有更加卓越的網絡在智能家居控制中,具有安全性和能快速地與外界進行信息交換,這就要求計算機對存儲器、運算速度等性能指標要求比較高,而嵌入式系統一般情況下都是小型的專用系統,這樣就使得嵌入式系統很難承受占有大量系統資源的服務。如何實現嵌入式系統的Internet 接入、"瘦"Web 服務器技術以及嵌入式Internet 安全技術, 是嵌入式系統Internet 技術的關鍵和核心。
主要可以對如下家居功能進行控制
(1) 遠程監控。當防盜報警被觸發后,也可以通過Internet 遠程監控家中事態的進展情況。
(2) 報警。可以分為防盜報警、防災報警等。
(3) 三表抄送功能。將帶電子采集器的煤氣表、電表、水表的信息發送到終端。
(4) 室內環境控制。比如可以將燈光、DVD 等設備可以集中控制,通過電話、Internet 等遠程控制家中的設備。進而實現對家中的音響、視頻及燈光的集中控制。
將嵌入式系統與Internet結合起來的想法其實很早以前就有了,主要的困難在于,Internet上面的各種通信協議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高,而嵌入式系統中除部分32位處理器以外,大量存在的是8位和16位MCU,支持TCP/IP等Internet協議將占用大量系統資源,或根本不可能。文章將以嵌入式微控制器Internet技術(EMIT)及其在中國的技術開發中心BOL/TASKING公司的解決方案為基礎,描述如何實現嵌入式設備的Internet網絡化。
嵌入式技術的進展
嵌入式技術之所以能夠快速發展,一個重要的原因就是嵌入式技術具有技術靈活性。無論是軟件嵌入還是硬件嵌入,采用嵌入式技術都可以把復雜的系統設計變為獨立模塊的設計。特別是隨著信息技術的飛速發展,傳統的獨立系統設計已經無法適應現代信息技術的發展需要。例如,在現有通信系統中應用多媒體通信技術時,如果不采用嵌入式技術,則需要對整個通信系統進行徹底更換。隨著電子信息技術的不斷發展和應用領域的不斷擴大,嵌入式技術正在變成最基本的電子系統設計技術。特別是隨著SoC技術和集成電路設計制造技術的發展,嵌入式系統已經成為SoC器件設計的基本結構。同時,也正因為電子信息技術的飛速發展,使得現有嵌入式系統設計平臺面臨著各種不同的挑戰。
智能嵌入技術-發展趨勢
以信息家電為代表的互聯網時代嵌入式產品，不僅為嵌入式市場展現了美好前景，注入了新的生命；同時也對嵌入式系統技術，特別是軟件技術提出新的挑戰。這主要包括：支持日趨增長的功能密度、靈活的網絡聯接、輕便的移動應用和多媒體的信息處理，此外，當然還需對付更加激烈的市場競爭。
1.嵌入式應用軟件的開發需要強大的開發工具和操作系統的支持
隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網上提供的信息內容日趨豐富、應用項目多種多樣，像電話手機、電話座機及電冰箱、微波爐等嵌入式電子設備的功能不再單一，電氣結構也更為復雜。為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力；同時還采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。
目前，國外商品化的嵌入式實時操作系統，已進入我國市場的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產品。我國自主開發的嵌入式系統軟件產品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開發平臺DeltaSystem,它不僅包括DeltaCore嵌入式實時操作系統,而且還包括LamdaTools交叉開發工具套件、測試工具、應用組件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系統。
2.聯網成為必然趨勢
為適應嵌入式分布處理結構和應用上網
3.支持小型電子設備實現小尺寸、微功耗和低成本
為滿足這種特性，要求嵌入式產品設計者相應降低處理器的性能，限制內存容量和復用接口芯片。這就相應提高了對嵌入式軟件設計技術要求。如，選用最佳的編程模型和不斷改進算法，采用Java編程模式，優化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富經驗，更需要發展先進嵌入式軟件技術，如Java、Web和WAP等。
4.提供精巧的多媒體人機界面
嵌入式設備之所以為億萬用戶樂于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機交互界面，如司機操縱高度自動化的汽車主要還是通過習慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但離掌式語言同聲翻譯還有很大距離。
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