嵌入式移動(dòng)通信技術(shù)的研究與發(fā)展
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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, 嵌入式系統再度成為研究與應用的熱點(diǎn)。
嵌入式系統被描述為: 以應用為中心, 軟硬件可裁減的, 適應應用系統對功能、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。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成, 它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式處理器主要由一個(gè)單片機或微控制器(MCU) 組成。相關(guān)支撐硬件包括顯示卡、存儲介質(zhì)、通信設備、IC 卡或信用卡讀取設備等。
嵌入式操作 (real- time embedded operating system,RTOS 或EOS) 是一種實(shí)時(shí)的、支持嵌入式系統應用的操作系統軟件, 它是嵌入式系統( 包括硬、軟件系統) 極為重要的組成部分, 通常包括與硬件相關(guān)的底層驅動(dòng)軟件、系統內核、設備驅動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面。標準化瀏覽器 Browser 等。
目前, 嵌入式操作系統的品種較多, 據統計, 僅用于信息電器的嵌入式操作系統就有 40 種左右, 其中較為流行的主要有:Windows CE、Palm OS、Real- Time Linux、VxWorks、pSOS、PowerTV以及 Microware 公司的 OS- 9。與通用操作系統相比較, 嵌入式操作系統在系統實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴(lài)性、軟件固態(tài)化以及應用的專(zhuān)用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。象前途無(wú)可計量的維納斯計劃生產(chǎn)機頂盒, 核心技術(shù)就是采用 32 位以上芯片級的嵌入式技術(shù)。在個(gè)人領(lǐng)域中, 嵌入式產(chǎn)品將主要是個(gè)人商用, 作為個(gè)人移動(dòng)的數據處理和通訊軟件。由于嵌入式設備具有自然的人機交互界面, GUI 屏幕為中心的多媒體界面給人很大的親和力。手寫(xiě)文字輸入、語(yǔ)音撥號上網(wǎng)、收發(fā)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(jìn)的 PDA 在顯示屏幕上已實(shí)現漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布, 日用范圍也將日益廣闊。對于企業(yè)專(zhuān)用解決方案, 如物流管理、條碼掃描、移動(dòng)信息采集等, 這種小型手持嵌入式系統將發(fā)揮巨大的作用。自動(dòng)控制領(lǐng)域, 不僅可以用于 ATM 機, 自動(dòng)售貨機, 工業(yè)控制等專(zhuān)用設備, 和移動(dòng)通訊設備結合、GPS、娛樂(lè )相結合, 嵌入式系統同樣可以發(fā)揮巨大的作用。長(cháng)虹推出的 ADSL產(chǎn)品, 結合網(wǎng)絡(luò ), 控制, 信息, 這種智能化, 網(wǎng)絡(luò )化將是家電發(fā)發(fā)展的新趨勢。
硬件方面, 不僅有各大公司的微處理器芯片, 還有用于學(xué)習和研發(fā)的各種配套開(kāi)發(fā)包。目前低層系統和硬件平臺經(jīng)過(guò)若干年的研究, 已經(jīng)相對比較成熟, 實(shí)現各種功能的芯片應有盡有。而且巨大的市場(chǎng)需求給我們提供了學(xué)習研發(fā)的資金和技術(shù)力量。
我國自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統軟件產(chǎn)品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺 DeltaSystem, 中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系統( 雖然還不夠完善) 。同時(shí)由于是研究熱點(diǎn), 所以我們可以在網(wǎng)上找到各種各樣的免費資源, 從各大廠(chǎng)商的開(kāi)發(fā)文檔, 到各種驅動(dòng), 程序源代碼, 甚至很多廠(chǎng)商還提供微處理器的樣片。這對于我們從事這方面的研發(fā), 無(wú)疑是個(gè)資源寶庫。對于軟件設計來(lái)說(shuō), 不管是上手還是進(jìn)一步開(kāi)發(fā), 都相對來(lái)說(shuō)比較容易。這就使得很多生手能夠比較快的進(jìn)入研究狀態(tài), 利于發(fā)揮大家的積極創(chuàng )造性。
2 未來(lái)嵌入式系統的發(fā)展趨勢
信息時(shí)代, 數字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機, 為嵌入式市場(chǎng)展現了美好的前景, 同時(shí)也對嵌入式生產(chǎn)廠(chǎng)商提出了新的挑戰, 從中我們可以看出未來(lái)嵌入式系統的幾大發(fā)展趨勢:
2.1 嵌入式開(kāi)發(fā)是一項系統工程, 因此要求嵌入式系統廠(chǎng)商不僅要提供嵌入式軟硬件系統本身, 同時(shí)還需要提供強大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持。
目前很多廠(chǎng)商已經(jīng)充分考慮到這一點(diǎn), 在主推系統的同時(shí),將開(kāi)發(fā)環(huán)境也作為重點(diǎn)推廣。比如三星在推廣 Arm7, Arm9 芯片的同時(shí)還提供開(kāi)發(fā)板和版及支持包(BSP) , 而 WindowCE 在主推系統時(shí)也提供 Embedded VC++作為開(kāi)發(fā)工具, 還有 Vxworks 的Tonado 開(kāi)發(fā)環(huán)境, DeltaOS 的 Limda 編譯環(huán)境等等都是這一趨勢的典型體現。當然, 這也是市場(chǎng)競爭的結果。
2.2 網(wǎng)絡(luò )化、信息化的要求隨著(zhù)因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬日益提高, 使得以往單一功能的設備如電話(huà)、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一, 結構更加復雜。這就要求芯片設計廠(chǎng)商在芯片上集成更多的功能, 為了滿(mǎn)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(shí)增加功能接口, 如 USB, 擴展總線(xiàn)類(lèi)型, 如 CAN BUS, 加強對多媒體、圖形等的處理, 逐步實(shí)施片上系統(SOC) 的概念。軟件方面采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復雜性, 簡(jiǎn)化應用程序設計、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。
2.3 網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)成為必然趨勢
未來(lái)的嵌入式設備為了適應網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的要求, 必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò )通信接口。傳統的單片機對于網(wǎng)絡(luò )支持不足, 而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開(kāi)始內嵌網(wǎng)絡(luò )接口, 除了支持 TCP/IP協(xié)議, 還有的支持 IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一種或者幾種, 同時(shí)也需要提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動(dòng)軟件。軟件方面系統系統內核支持網(wǎng)絡(luò )模塊, 甚至可以在設備上嵌入 Web 瀏覽器, 真正實(shí)現隨時(shí)隨地用各種設備上網(wǎng)。
2.4 精簡(jiǎn)系統內核、算法, 降低功耗和軟硬件成本
未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結合的設備, 為了減低功耗和成本, 需要設計者盡量精簡(jiǎn)系統內核, 只保留和系統功能緊密相關(guān)的軟硬件, 利用最低的資源實(shí)現最適當的功能, 這就要求設計
者選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法, 優(yōu)化編譯器性能。因此, 既要軟件人員有豐富的硬件知識, 又需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù), 如 Java、Web 和 WAP 等。
2.5 提供友好的多媒體人機界面
嵌入式設備能與用戶(hù)親密接觸, 最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶(hù)界面。圖像界面, 靈活的控制方式, 使得人們感覺(jué)嵌入式設備就象是一個(gè)熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面, 多媒體技術(shù)上痛下苦功。手寫(xiě)文字輸入、語(yǔ)音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像都會(huì )使使用者獲得自由的感受。目前一些先進(jìn)的 PDA 在顯示屏幕上已實(shí)現漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布, 但一般的嵌入式設備距離這個(gè)要求還有很長(cháng)的路要走。
3 嵌入式系統設計的過(guò)程
3.1 嵌入式系統設計的過(guò)程
按照常規的工程設計方法, 嵌入式系統的設計可以分成 3 個(gè)階段: 分析, 設計和實(shí)現。分析階段是確定要解決的問(wèn)題及需要完成的目標, 也常常被稱(chēng)為需求階段; 設計階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶(hù)的要求; 實(shí)現階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件基礎上進(jìn)行整個(gè)軟、硬件系統的協(xié)調實(shí)現。在分析階段結束后, 開(kāi)發(fā)者通常面臨的一個(gè)棘手的問(wèn)題就是硬件平臺和軟件平臺的選擇, 因為它的好壞直接影響著(zhù)實(shí)現階段任務(wù)的完成。
通常, 硬件和軟件的選擇包括處理器、硬件部件、操作系統、編程語(yǔ)言、軟件開(kāi)發(fā)工具、硬件調試工具、軟件組件等。在上述選擇中, 處理器往往是最重要的, 操作系統和編程語(yǔ)言也是非常關(guān)鍵的。處理器的選擇常常會(huì )限制操作系統的選擇,操作系統的選擇又會(huì )限制開(kāi)發(fā)工具的選擇。
3.2 硬件平臺的選擇
3.2.1 處理器的選擇
嵌入式系統的核心部件是各種類(lèi)型的嵌入式處理器。據不完全統計, 目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò) 1000 多種, 流行體系有 30 幾個(gè)系列。但與全球 PC 市場(chǎng)不同的是。沒(méi)有一種微處理器和微處理器公司可以主導嵌入式系統, 僅以 32 位的CPU 而言, 就有 100 種以上嵌入式微處理器。由于嵌入式系統設計的差異性很大, 因此選擇是多樣化的。ARM 是近年來(lái)在嵌入式系統有影響力的微處理器架構,ARM的設計非常適用于小型的嵌入式設備。
3.2.2 硬件選擇的其它因素
首先, 需要考慮的是生產(chǎn)規模。如果生產(chǎn)規模比較大, 可以自己設計和制備硬件, 這樣可以降低成本。反之, 最好從第三方購買(mǎi)主板和 I/O 板卡。
其次, 需要考慮開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)目標, 如果想使產(chǎn)品盡快發(fā)售, 以獲得競爭力, 就要盡可能購買(mǎi)成熟的硬件。反之, 可以自己設計硬件, 降低成本。
另外, 軟件對硬件的依賴(lài)性, 即軟件是否可以在硬件沒(méi)有到位的時(shí)候并行設計或先行開(kāi)發(fā)也是硬件選擇的一個(gè)考慮因素。
最后, 只要可能, 盡量選擇使用普通的硬件。在 CPU 及架構的選擇上, 一個(gè)原則是: 只要有可替代的方案, 盡量不要選擇 LINUX尚不支持的硬件平臺。
3.3 軟件平臺的選擇
嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)流程, 主要涉及代碼編程、交叉編譯、交叉連結、下載到目標板和調試等幾個(gè)步驟, 因此軟件平臺的選擇也涉及操作系統、編程語(yǔ)言和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 3 個(gè)方面。
3.3.1 操作系統的選擇
硬件方案確定之后, 操作系統的選擇就相對輕松了。硬件的不同, 會(huì )影響操作系統的選擇。低端無(wú)存儲器管理單元的 CPU, 要使用 UCLINUX 操作系統, 常用的嵌入式操作系統有: LINUX、WINCE、YORNADE/VXWORKS等。
3.3.2 編程語(yǔ)言的選擇
在嵌入式系統開(kāi)發(fā)的過(guò)程中使用的語(yǔ)言種類(lèi)很多。比較廣泛應用的高級語(yǔ)言有 ADA, C/C++, JAVA 和 C# 等。ADA 語(yǔ)言定義嚴格。易讀易懂, 有較豐富的庫程序支持。目前在國防, 航空, 航天等相關(guān)領(lǐng)域應用比較廣泛, 未來(lái)仍將在這些領(lǐng)域占有重要地位。C語(yǔ)言具有廣泛的庫函數支持, 目前在嵌入式系統中是應用最廣泛的編程語(yǔ)言, 在將來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內仍將在嵌入式系統應用領(lǐng)域占重要地位。
C++是一種面向對象的編程語(yǔ)言, 目前在嵌入式系統設計中也是得到了廣泛的應用。但 C 與 C++相比, C++的目標代碼往往比較龐大和復雜, 在嵌入式系統應用中應充分考慮這一因素。JAVA有很強的跨平臺特性, 其“一次編程, 到處可用”的特性, 使得它在很多領(lǐng)域備受歡迎。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展,J2EE 及嵌入式 JAVA 的應用也將越來(lái)越廣泛, 但是消耗硬件資源較大。
3.3.3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇
集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)的重要平臺, 開(kāi)發(fā)者選擇時(shí)應考慮以下因素:
系統調試器的功能, 包括遠程調試環(huán)境;支持庫函數: 許多開(kāi)發(fā)系統提供大量使用的庫函數和模板代碼, 如大家比較熟悉 C++編譯器就帶有標準的庫模板。它提供了一套用于定義各種有用的集裝, 存儲, 搜索, 排序對象;編譯器開(kāi)發(fā)商是否持續升級編譯器;連接程序是否支持所有的文件格式和符號格式。
3.3.4 嵌入式微處理器 ARM
在進(jìn)行嵌入式系統的開(kāi)發(fā)時(shí), 首先面臨的難題就是如何挑選一個(gè)適合的開(kāi)發(fā)平臺。ARM系列處理器是專(zhuān)門(mén)針對嵌入式設備設計的, 是目前構造嵌入式系統硬件平臺的首選。1991 年 ARM公司成立于英國劍橋, 其主要業(yè)務(wù)是設計 16 位和 32 位的嵌入式處理器。但它本身并不生產(chǎn)和銷(xiāo)售芯片, 而是采用技術(shù)授權的方式, 由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。世界各大半導體生產(chǎn)商從 ARM公司購買(mǎi)其設計的 ARM微處理器核, 根據各自不同的應用領(lǐng)域, 加入適當的外圍電路, 從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。因此, ARM技術(shù)獲得了更多的第三方工具, 制造和軟件的支持, 又使整個(gè)系統成本降低, 使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費者所接收, 更具有競爭力。
目前, 采用 ARM技術(shù)知識產(chǎn)權的微處理器, 即我們通常所說(shuō)的 ARM微處理器, 已遍及工業(yè)控制, 消費類(lèi)電子產(chǎn)品, 通信系統,網(wǎng)絡(luò )系統, 無(wú)限系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng), 基于 ARM技術(shù)微處理器的應用約占據了 32 位 RISC 微處理器 75 以上的市場(chǎng)份額。
4 移動(dòng)通信技術(shù)
傳統的 GSM網(wǎng)絡(luò )僅能 9.6Kbit/s 速率的數據傳輸業(yè)務(wù), 這遠遠不能滿(mǎn)足用戶(hù)對高速無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)的需求。GPRS(GeneralPacket Radio Service, 通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)) 是構架在傳統 GSM 網(wǎng)絡(luò )之上的一種標準化的分組交換數據業(yè)務(wù), 它可以提供高達115kbit/s 速率的分組數據業(yè)務(wù), 從而使得包括圖片、話(huà)音和視頻的多媒體業(yè)務(wù)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的傳輸成為現實(shí)。GPRS 采用分組交換技術(shù)、在通信的過(guò)程中不需要建立和保持電路, 符合數據通信突發(fā)性的特點(diǎn), 并且呼叫建立時(shí)間很短。GPRS 不再根據用戶(hù)實(shí)際的數據流量來(lái)計費, 這樣就允許用戶(hù)始終在線(xiàn), 享受方便快捷的服務(wù)。因此, GPRS 被認為是第二代移動(dòng)通信系統向第三代移動(dòng)通信演進(jìn)的重要一步。
GPRS 之所以備受關(guān)注, 一方面是因為其極高的傳輸速率和分組技術(shù), 另一方面則是因為它對 IP 和 X.25 協(xié)議的完全透明支持, 這是人們最熟悉、也是應用最為廣泛的兩種傳輸協(xié)議。通過(guò)GPRS, 人們可以在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )( 尤其在 GSM 網(wǎng)絡(luò )) 上實(shí)現對 IP和 X.25 網(wǎng)絡(luò )的訪(fǎng)問(wèn)和應用。正是由于這兩種協(xié)議的應用, 移動(dòng)臺和終端設備( 如筆記本電腦) 可以以點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的方式訪(fǎng)問(wèn)全球任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò ), 如圖(GPRS 硬件平臺) 所示。
GPRS 支持 IP 和 X.25 等標準網(wǎng)絡(luò )協(xié)議, 人們就可以很簡(jiǎn)便地配置 PC 以使其能在 GPRS 環(huán)境下通信, 用戶(hù)可以使用諸如Windows98/NT、WindowsCE 內置的 TCP/IP 協(xié)議連接到 Internet 和LAN 上。
4.1 支持的平臺
幾乎所有的硬件平臺都支持 TCP/IP 協(xié)議棧, 因此人們利用這些平臺可以充分展示 GPRS 的優(yōu)越性, 有如下平臺:筆記本電腦或掌上電腦連接到具有 GPRS 功能的蜂窩電話(huà)或外置 Modem 上;筆記本電腦或掌上電腦配置以具有 GPRS 功能的 PCModem;具有全屏功能的智能電話(huà);可以通過(guò) WAP 協(xié)議實(shí)現微瀏覽的蜂窩電話(huà);集成了 GPRS 的專(zhuān)用設備;GPRS 網(wǎng)絡(luò )系統。
4.2 數據包的發(fā)送與接收
筆記本電腦通過(guò)串行或無(wú)線(xiàn)方式連接到 GPRS 蜂窩電話(huà)或Modem 上。GPRS 蜂窩電話(huà)或 Modem 與 GSM基站通信, 但與電路交換式數據呼叫不同, PRS 分組是從基站發(fā)送到服務(wù) GPRS 支持節點(diǎn)(SGSN) , 而不是通過(guò)移動(dòng)交換中心(MSC) 連接到語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )上。SGSN 與網(wǎng)關(guān) GPRS 支持節點(diǎn)(GGSN) 進(jìn)行通信; GGSN 對分組數據進(jìn)行相應的處理, 再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò ), 如 Internet 或 X.25 網(wǎng)絡(luò ), 見(jiàn)圖(GSN 系統中的 GPRS 網(wǎng)絡(luò )結構) 所示:來(lái)自 Internet、標識有移動(dòng)臺地址的 IP 包, 由 GGSN 接收, 再轉發(fā)到 SGSN, 繼而傳送到移動(dòng)臺上。
4.3 GPRS 的優(yōu)勢
GPRS 最重要的革新之處在于, 它在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )上的數據傳輸是基于分組的, 從而將數據傳輸速 率 從 9.6kbps 提 高 到100kbps 以上, 并將 Internet 連接一直延伸到移動(dòng) PC, 用戶(hù)無(wú)需再撥號到 ISP。GPRS 技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提高了信道利用率, 提供更 大的帶寬, 從而降低移動(dòng)數據通信的費用。GPRS 對移動(dòng)數據應用產(chǎn)生了深遠的影響, 并在最近兩年得到迅速發(fā)展。但它并不是要取代目前通過(guò) GSM 實(shí)現的其他數據業(yè)務(wù) ( 如電路交換數據和 SMS) , 而是對它們作一更為完善的補充。此外, GPRS 也提供第三代蜂窩網(wǎng)絡(luò )所具有的數據通信能力。
5 總結
總之, 形式多樣的嵌入式設備正努力把 Internet 連接到人們生活各個(gè)角落, 中國嵌入式設備的潛在消費者數量將以?xún)|為單位。如果說(shuō) PC 機的發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)桌面軟件的發(fā)展, 那么嵌入式產(chǎn)品的廣泛普及其在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應用必將為嵌入式系統軟件產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無(wú)窮的推動(dòng)力。
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