嵌入式系統與普適計算

關(guān)鍵詞：嵌入式系統 普適計算 手持設備 Windows CE 嵌入式設備

引 言

　　隨著(zhù)計算技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)由PC時(shí)代進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )時(shí)代，進(jìn)而進(jìn)入后PC時(shí)代。IBM在1999年創(chuàng )造了一個(gè)名詞--“普適計算” (又叫“普及計算”，Pervasive Computing)?！捌者m計算”指的就是，“無(wú)論何時(shí)何地，只要您需要，就可以通過(guò)某種設備訪(fǎng)問(wèn)到所需的信息”。從計算技術(shù)的角度來(lái)看，人類(lèi)已經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )計算逐步延伸到了普適計算。

　　通俗來(lái)講，普適計算的含義十分廣泛，所涉及的技術(shù)包括移動(dòng)通信技術(shù)、小型計算設備制造技術(shù)、小型計算設備上的操作系統技術(shù)及軟件技術(shù)等。普適計算是指無(wú)所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計算的一種方式；主要針對移動(dòng)設備，比如信息家電或某種嵌入式設備，如掌上電腦、BP機、車(chē)載智能設備、筆記本計算機、手表、智能卡、智能手機（具有掌上電腦的一部分功能）、機頂盒、POS銷(xiāo)售機、屏幕電話(huà)（除了普通話(huà)機的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)）等新一代智能設備。普適計算設備可以一直或間斷地連接著(zhù)網(wǎng)絡(luò )。與Internet、Intranet及Extranet連接，使用戶(hù)能夠隨時(shí)隨地獲取相關(guān)的各種信息，并做出回應。由于普適計算設備的高度移動(dòng)性，所以也被稱(chēng)為移動(dòng)計算。普適計算提供了經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )，使用各種各樣的普適計算設備，訪(fǎng)問(wèn)后臺數據、應用和服務(wù)的功能。無(wú)論使用何種普適計算設備，用戶(hù)將能輕易訪(fǎng)問(wèn)信息，得到服務(wù)。普適計算降低了設備使用的復雜性，幫助提高在外辦公人員的效率和人們的日常生活水平。

　　從軟件系統的角度來(lái)講，普適計算是指使用小型計算設備、在位置不斷移動(dòng)的過(guò)程中或在地理位置分布很廣的范圍內，在不穩定的通信條件下實(shí)現聯(lián)機事務(wù)處理和企業(yè)核心數據訪(fǎng)問(wèn)。這些小型計算設備，具有多種通信手段，如移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )、衛星等，能與互聯(lián)網(wǎng)或企業(yè)內部網(wǎng)相連，但這種連接不是固定的連接，而是間斷的連接。普適計算的軟件技術(shù)使用戶(hù)可以使用這些設備進(jìn)行復雜的聯(lián)機事務(wù)處理和信息訪(fǎng)問(wèn)，因為用戶(hù)所使用的設備體積小，可用的計算資源（內存、存儲設備和CPU）都相當有限，大部分處理工作由計算中心的數據服務(wù)器和應用服務(wù)器完成。

　　Internet與網(wǎng)絡(luò )的迅速普及應用，并向家庭領(lǐng)域不斷擴展，使消費電子、計算機、通信（3C）一體化趨勢日趨明顯；信息時(shí)代的來(lái)臨，使嵌入式系統日益受到市場(chǎng)和廠(chǎng)家的關(guān)注，嵌入式設備越來(lái)越普及，這也促進(jìn)了普適計算的發(fā)展。

1 嵌入式系統

　　嵌入式系統是以嵌入式計算機為技術(shù)核心，面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。和通用計算機不同，嵌入式系統是針對具體應用的專(zhuān)用系統，目的就是要把一切變得更簡(jiǎn)單、更方便、更普遍、更適用；它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(shí)現更高的性能。

　　嵌入式系統主要由嵌入式處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及特定的應用程序等四部分組成，是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”；用于實(shí)現對其它設備的控制、監視或管理等功能。

　　嵌入式系統應具有的特點(diǎn)是：要求高可靠性；在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下，要求系統仍然能夠正常工作；許多嵌入式應用要求實(shí)時(shí)處理能力，這就要求嵌入式操作系統(EOS)具有實(shí)時(shí)處理能力；嵌入式系統中的軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲器中或閃存中，也就是說(shuō)軟件要求固態(tài)化存儲，而不是存儲在磁盤(pán)等載體中。

2 普適計算和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò )計算的關(guān)系

　　IBM提出“普適計算”概念時(shí)，是為了用來(lái)描述個(gè)人計算機不再處于創(chuàng )新核心的時(shí)代，有意地不將其稱(chēng)之為無(wú)線(xiàn)時(shí)代。因為IBM看到計算、通信、存儲和處理的功能從傳統的計算機轉移到各種各樣的設備上。今天，我們還僅僅把普適計算與移動(dòng)電話(huà)、PDA聯(lián)系了起來(lái)，但是計算正在以不同的形態(tài)和體驗出現--它正在不斷裝入氣泵、計量表、電器和衣物中。對于IBM這樣的公司而言，“普適計算”之所以重要，是因為它對基礎設施和前端設備的影響同樣重要。對企業(yè)的經(jīng)營(yíng)來(lái)說(shuō)，“普適計算”將改變企業(yè)與其客戶(hù)、供應商和員工之間相互交流的方式。通過(guò)隨時(shí)隨地地接觸客戶(hù)和移動(dòng)辦公來(lái)從電子商務(wù)投資中獲取更多的收益。更重要的是，普適計算對被信息包圍著(zhù)的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，可以降低設備使用的復雜程度，使我們的生活更輕松、有效率。

　　實(shí)際上普適計算是網(wǎng)絡(luò )計算的自然延伸，它使得不僅PC機而且其它小巧的智能設備也可以連接到網(wǎng)絡(luò )中，從而方便人們即時(shí)地獲得信息并采取行動(dòng)。當這種運算模式普遍采用后，人們就可以以一種一致的方式，使用所喜歡的設備（主要是嵌入式系統設備），隨時(shí)隨地獲得信息。所謂“一致的方式”，強調的是關(guān)鍵信息、關(guān)鍵數據的一致，而它的表現形式可以是多樣化的，因用戶(hù)喜好、設備等因素而異。

3 普適計算與傳統運算模式的比較

　　普適計算與傳統運算模式有很大的不同，從而對提供服務(wù)的基礎設施提出了新的要求。傳統運算模式是兩層結構：針對某種設備設計某種系統，以適合該種特定設備訪(fǎng)問(wèn)和顯示。在設計時(shí)，必須針對那種特定設備的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和顯示性能進(jìn)行設計。

　　普適計算模式在實(shí)現多種應用服務(wù)對多種智能設備的連接時(shí)存在很大的困難，這使得每增加一種設備都需要改寫(xiě)那些應用服務(wù)，而每增加一種服務(wù)都需要改寫(xiě)那些設備上的應用程序。這種限制是由于現有系統的層次結構所決定的。然而，我們很難預見(jiàn)未來(lái)還會(huì )出現什么新穎的，用戶(hù)樂(lè )于使用的智能設備；而且有的設備可以雙向通信，有的只能單向被動(dòng)地接收信息?，F有系統在擴充對新設備和新應用服務(wù)的支持時(shí)非常復雜。例如，今天我們已經(jīng)可以用SMS（短消息）和WAP手機訪(fǎng)問(wèn)股票信息，我們不能預見(jiàn)明天的熱門(mén)設備是什么，況且，每個(gè)人的個(gè)性因人而異，對設備的喜好也希望個(gè)性化，未來(lái)的信息設備將會(huì )是群雄并起，百家爭鳴。

4 普適計算需要的條件

　　第一，處理器價(jià)格越來(lái)越便宜，而體積越來(lái)越小，使得計算機功能得以廣泛應用?？梢詫⒂嬎銠C部件安裝在任何用于監控或采集數據的各種小型計算物理設備上，例如家用電器、數據采集器、跟蹤器等。

　　第二，高的網(wǎng)絡(luò )帶寬也確保了網(wǎng)絡(luò )連接更快、更方便、更便宜，更完善的網(wǎng)絡(luò )保證了網(wǎng)絡(luò )連接的質(zhì)量和效率。

　　第三，現在已被廣泛應用的蜂窩技術(shù)也有了很大的發(fā)展。蜂窩式移動(dòng)通訊系統的覆蓋能力和范圍比任何通信系統都要廣，且價(jià)格低廉。 蜂窩電話(huà)不必插在墻壁上，用戶(hù)在任何地方都能打。通過(guò)蜂窩技術(shù)的連接，不用物理連線(xiàn)就可以將POS銷(xiāo)售機連到局域網(wǎng)上。

5 普適計算的特性

　　間斷連接與輕量計算是普適計算最重要的兩個(gè)特征。普適計算的軟件技術(shù)就是要實(shí)現在這種環(huán)境下的事務(wù)和數據處理系統。

　　普適計算的第一個(gè)特征是間斷連接，是服務(wù)器能否不時(shí)地同用戶(hù)（特別是移動(dòng)用戶(hù)）保持聯(lián)系。用戶(hù)必須能夠存取服務(wù)器信息，在中斷聯(lián)系的情況下，可以處理這些信息。所以，企業(yè)計算中心的數據和應用服務(wù)器能否同用戶(hù)保持有效的聯(lián)系就成為一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。由于有部分數據要存儲在普適計算設備上，普適計算中的數據庫成為一個(gè)很關(guān)鍵的軟件基礎部件。例如，新型的汽車(chē)上安裝了許多小型的車(chē)用計算機部件，用來(lái)控制燃料的使用，根據溫度和氣壓調整發(fā)動(dòng)機的運轉。這些部件彼此相連，并把測出數據作為汽車(chē)運行保養的分析基礎數據。當汽車(chē)修理時(shí)，修理人員插入一個(gè)計算機連接器件，獲取這些數據來(lái)分析。還可以增加復雜的數據連接功能，如連接到全球定位系統，讓司機準確獲知當前的位置，與電子地圖相連，輸入目的地，顯示出到達目的地的最快路徑，以及連上互聯(lián)網(wǎng)其它信息，如天氣預報、飯店的地址和電話(huà)等。完善的數據連接功能可以為用戶(hù)提供更多的服務(wù)。

　　普適計算的第二個(gè)特征是輕量計算，即計算資源相對有限。普適計算主要用于商業(yè)用途的數據處理，通常針對移動(dòng)辦公的工作人員和需要經(jīng)常在旅途中存取公司系統數據的職員，他們需要不受地域和時(shí)間限制地獲取和處理核心系統上的數據。

6 普適計算對數據庫的要求

　　數據庫是實(shí)現普適計算的重要基礎。如果直接把傳統的關(guān)系型數據庫應用移植到移動(dòng)設備上，對數據庫的開(kāi)銷(xiāo)要求較高。普適計算中數據庫要解決的兩個(gè)問(wèn)題是：第一是數據復制的實(shí)現，也可稱(chēng)為數據同步化，確保隨時(shí)隨地數據一致，并促使設備與服務(wù)器的數據雙向流動(dòng)。第二是開(kāi)發(fā)支持標準API和SQL子集的小型DB2，使用戶(hù)可以將已有的應用程序，方便地移植到這些設備上，也可以用相同的工具和API來(lái)編寫(xiě)新的應用程序；同時(shí)保持較低的系統開(kāi)銷(xiāo)和較高的數據處理性能。所用的數據則來(lái)自用數據復制功能從中心服務(wù)器獲得的數據。

　　普適計算的數據庫必須是一種具有持久存儲機制的可縮放數據庫環(huán)境，可以存儲大量數據，并且能保證操作過(guò)程中即使斷電也不會(huì )丟失數據。通常的辦法是把數據放在Flash內存中，所以數據恢復技術(shù)與普通的數據庫不太一樣。多用戶(hù)環(huán)境中的數據庫服務(wù)要考慮記錄鎖定的問(wèn)題，所以具有并發(fā)控制機制，但移動(dòng)式數據庫并不一定需要封鎖機制。此外，由于數據量較少，索引也相應減少，一些傳統的查詢(xún)優(yōu)化技術(shù)也變得不太重要，所以移動(dòng)式數據庫與典型的數據庫差別還是較大的。因此，對數據庫就有三個(gè)基本要求：

　　第一，在普適計算設備上安裝一個(gè)系統開(kāi)銷(xiāo)低的小型數據庫管理系統，用于在本地存取信息。由于設備通常很小，數據庫管理系統必須要比目前更小才能適合這些設備。

　　第二，在軟件的分布、數據備份和恢復、移動(dòng)存取等方面，要具備高效、實(shí)時(shí)的數據復制能力。保證移動(dòng)設備上的數據與企業(yè)數據庫中的數據同步，因此，對數據庫的備份和恢復、分布式數據庫管理等方面都有特殊要求。

　　第三，普適計算也與電子商務(wù)緊密聯(lián)系在一起，那些電子商務(wù)應用程序要求能夠交流、存取信息。

　　IBM的DB2數據庫移動(dòng)版本是一套比較成熟的普適計算數據庫產(chǎn)品，安裝在移動(dòng)設備上時(shí)，提供了一系列的功能選項供用戶(hù)選擇，除了創(chuàng )建表、插入、刪除、修改、查詢(xún)、排序、主關(guān)鍵字、索引和連接操作等數據庫核心功能外，其它擴展功能如子查詢(xún)、聚集、并發(fā)控制、備份和恢復等都可以根據實(shí)際情況有選擇地配置。

7 普適計算對于系統開(kāi)銷(xiāo)的要求

　　按普適計算對于系統開(kāi)銷(xiāo)的要求通?？梢苑譃槿N類(lèi)型，分別使用三類(lèi)操作系統，適用于不同類(lèi)型的用戶(hù)，針對不同的市場(chǎng)，有三種不同的數據存儲需求。

　　第一種是Windows CE，它具有典型的前端辦公形式應用程序，是用于商務(wù)處理的完整操作系統，在小型輕便個(gè)人計算機上運行。用戶(hù)用微型鍵盤(pán)輸入數據，整個(gè)系統開(kāi)銷(xiāo)大約為2 MB，所以數據庫的開(kāi)銷(xiāo)很小 ，大約只有1 MB，物理存儲量約在500 MB~600 MB之間。

　　第二種是手持設備（又叫掌上機，Palm），運行生產(chǎn)商特制的掌上機操作系統（Palm OS）。這種設備比Windows CE設備更小，通過(guò)手寫(xiě)筆進(jìn)行數據錄入，配有一個(gè)很小的瀏覽窗口。通常該設備上數據庫可用的內存容量小于1MB，物理存儲量在500 MB以下。

　　第三種設備的代表是汽車(chē)的內置計算機部件。這種設備只有100 KB的內存，沒(méi)有硬盤(pán)存儲，運行用專(zhuān)用的實(shí)時(shí)操作系統開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的操作系統。

8 普適計算用途及前景

　　普適計算主要用于商業(yè)，通常針對移動(dòng)辦公的工作人員和需要經(jīng)常存取公司系統信息的職員?，F在的計算機部件越來(lái)越小，因此，可以將這些功能集中于一種設備來(lái)取代各種專(zhuān)用設備，如取代電話(huà)、呼叫器、計算機和網(wǎng)絡(luò )連接等設備。

　　正在興起的普適計算帶來(lái)許許多多新的機會(huì )，數字家庭就是其中之一。它將改變人們未來(lái)的生活方式。數字家庭能通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)將寬帶網(wǎng)絡(luò )接入家庭，家庭內部的網(wǎng)絡(luò )可以是無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的。在家庭內部，手持設備、PC或者家用電器通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式連接到網(wǎng)絡(luò )，從而提供了一個(gè)無(wú)縫、交互和普適計算的環(huán)境。人們能在任何地點(diǎn)、任何時(shí)候訪(fǎng)問(wèn)社區服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，比如在社區里預定一場(chǎng)比賽的門(mén)票，電子家庭解決方案通過(guò)高級的設備與電器診斷、自動(dòng)定時(shí)、集中和遠程控制等功能，令生活更方便舒適；通過(guò)遠程監控器監控家庭的情況，使生活更安全。IBM提出普適計算概念的目標是發(fā)展更具實(shí)用意義的各類(lèi)信息終端產(chǎn)品，從而真正實(shí)現電子商務(wù)向信息終端產(chǎn)品的延伸。目前，IBM已將普適計算確定為電子商務(wù)之后的又一重大發(fā)展戰略，并開(kāi)始了端到端解決方案的技術(shù)研發(fā)。2000年IBM公司發(fā)布了IBM WebSphere Everyplace Suite基于服務(wù)器端的Websphere Everyplace 軟件套件和基于客戶(hù)端的 Websphere Everyplace 軟件套件的嵌入式版本。

　　IBM公司負責普適計算的高級副總裁Michael Rhodin先生認為，實(shí)現普適計算的基本條件是計算設備越來(lái)越小，方便人們隨時(shí)隨地佩帶和使用。在計算設備無(wú)時(shí)不在、無(wú)所不在的條件下，普適計算才有可能實(shí)現。但計算設備功能的增強和體積的變小帶來(lái)了一個(gè)人們必須面對的問(wèn)題：如何有效地操作這些設備? 解決的辦法只有一個(gè)：讓計算機學(xué)會(huì )理解人的表情、感受，最終讓人以最自然的方式使用計算機。例如，IBM研發(fā)的BlueBoard（藍板）技術(shù)，是一片薄薄的屏幕板，使用者只用其胸前掛著(zhù)的看上去與普通員工卡沒(méi)什么兩樣的小卡片，對準藍板一下，就可以顯示出其個(gè)人主頁(yè)及定制好的其它內容。其后的一切操作和任務(wù)都只靠使用者的手指在藍板上指指劃劃就全部搞定了,包括查閱資料、共享文件、與同事實(shí)時(shí)互傳信息、發(fā)送指令、布置任務(wù)、協(xié)同工作等。簡(jiǎn)直是太方便了！有了BlueBoard，將來(lái)人們旅行時(shí)，不再需要攜帶計算機，只需帶著(zhù)這張小小的卡片，進(jìn)入系統就可以在任何地方工作或傳遞信息，這張小小的卡片就成了一臺計算機。

結 語(yǔ)

　　目前，計算和信息訪(fǎng)問(wèn)還是一種工作方式，使用計算機還是一種“技術(shù)”。如果有一天，計算和信息訪(fǎng)問(wèn)將不再是一種“工作”和“技術(shù)”，而成為我們生活的一部分，人們雖然不能明確地感受到它們的存在，但卻每時(shí)每刻都離不開(kāi)它們, 那么可以說(shuō)，我們就實(shí)現了“普適計算”的理想境界。嵌入式系統的發(fā)展使普適計算的深度和廣度不斷擴大，為開(kāi)發(fā)新型的應用和服務(wù)提供了近乎無(wú)限的可能性，各行各業(yè)都可能使用普適計算?，F在，IBM的科學(xué)家們正在為著(zhù)這一目標努力。

　　“普適計算”這個(gè)概念的出現時(shí)間不長(cháng)，希望本文對普適計算的研究有拋磚引玉之效。