嵌入式系统和传统工控机.doc

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1、嵌入式系统和传统工控机一、前言2007年中国嵌入式系统年会暨中国嵌入式系统产业链建设国际论坛在上海浦东软件园召开，该论坛由中国软件行业协会与上海浦东软件园主办、中国软件行业协会嵌入式系统分会和上海浦东软件平台有限公司联合承办。 大会汇聚国内外嵌入式系统产业的企业和专家，一起探讨嵌入式系统技术和应用发展中存在的问题和解决办法，分析嵌入式系统产品市场现状与发展趋势，交流最新嵌入式系统的相关技术和应用成果，宣传嵌入式系统技术和应用，促进嵌入式系统上、下游厂商间的协作。 大会主要关注产业结构、系统软件、测试调试、人才培养、软件研发和行业应用等方面。 近年来，我国嵌入式系统应用产品的市场需求日益增加，嵌

2、入式系统的产值不断增长，在冶金、汽车、造船、装备制造、节能降耗、环保、家电、电子、汽车、通信、交通、金融、网络、监控、工业自动化等领域尤其明显。二、嵌入式系统和传统工控机概念 2.1.嵌入式系统回顾 事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”（Stored Program Control）。 嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel 4004，其后各厂家陆续推出了许多8位、16位

3、的微处理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，从而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。2.2.嵌入式系统概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、

4、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。2.3.传统工控机概念 工控机即工业控制计算机，但现在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称Industrial P

5、ersonal Computer。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机（工业机）。三、嵌入式系统和传统工控机的技术特点 3.1.嵌入式系统特点 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： 1) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式微

6、处理器。 4) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。3.2.传统工控机的特点 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点： 1) 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2) 机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。 3) 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 4) 要求具有连续长时间工作能力。 注：除了以上的

7、特点外，其余基本功能和使用配件同普通机相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机贵。 5) 工控机的劣势 尽管工控机与普通的商用计算机机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的-数据处理能力差，具体劣势如下： 1) 配置硬盘容量小； 2) 数据安全性低； 3) 存储选择性小 3.3.嵌入式系统同通用型计算机系统对比 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1) 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成

8、的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 2) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 4) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5) 为了提高执行速度和系统可靠

9、性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。四、嵌入式系统和传统工控机在民用监控领域差异性比较 以下是笔者总结了嵌入式和传统工控机在民用监控系统领域的技术比较表：部分需求 嵌入式系统 传统工控机系统 环境(温湿度、电量、状态等监测) 一体设计，隨插即用，將需要监控点的传感器接上即可。符合大型机房监控需求、扩充性佳 采用PLC设计，各厂牌相容性不佳、扩充不易。功能性往往因地制宜，工控机组态软件修改，受制于厂商，並不适用于IT行业使用 视频监控 网络视频服务器,与所有监控点整合並有互动，达到全面监控的实质目的 工控机DVR系统品牌众多。目前厂商无法有效解決

10、监控图像和窄带传输的整合。 网络Internet浏览器界面 单一IP对外，嵌入式系统稳定性佳，具Internet 设备所有标准 各系统需外接Ethernet转换模块组，每一系统一个IP，对MIS人员管理是一大负担 系统级Web软件 单一Web界面系统软件，专为IT行业所需设计，一键安裝，数据可提供与SQL等大型Database连接 量身定做，价格不一。与以上各系统皆不相容。工控机组态软件整合极为困难，並无法提供数据库以供连接。 安装架设 所有接点集中与本机安装便利，软件安裝也是可以自己一键安裝 需由以上厂商分別安裝不同组态系統，整合测试为几天工程，软件厂商再测试將花费更多时间 远程维护 將嵌入

11、式监控设备上架后设定IP后经过Internet，总部即可远程监控 一般不可能,系统费用高 费用 监控用的工作站使用普通PC价格低,单一价格评估,整体报价容易，审核方便 建设成本、维护成本和扩容成本都低 监控用工作站使用专门的工控机价格高，整合所有分布系统时因地制宜，评估报价不易，组态系统价格高，建设成本、维护成本和扩容成本都高 稳定性 功耗低、可靠性高、性价比高、抗冲击性、防异物和病毒侵入，占用空间小、在工业领域特别是一些对系统体积有很高要求的高科技领域，如宇航，交通以及环境比较恶劣的地方，都有它的身影。而且它在网络方面也有很大的优势，组网能力强，能组成大型的网络监控系统。 工控机体积比较大，

12、功耗大，移动性差，因为美国微软公司windows操作系统，所以容易受病毒侵染。此外它的抗震、防尘能力也比较差，对环境要求比较高。 扩展升级 嵌入式系统和与用户具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体应用产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 没有与用户具体应用有机结合，采用型配件，升级换代和扩展性没有与具体应用产品同步进行。生命周期短。 五、两种技术发展趋势与前景 5.1.嵌入式系统发展趋势与前景 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增

13、长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 1.嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的

14、嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem,它不仅包括DeltaCore嵌入式实时操作系统,而且还包括LamdaTools交叉开发工具套件、测试工具、应用组件等；此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系统。 2.联网成为必然趋势 21世纪无疑是一个网络的时代，使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口

15、。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。 3. 网络设备 各种网络设备包括路由器、交换机、Web Server、网络接入网关等，都是一类嵌入式系统。 将IP嵌入到一个芯片之中的关键问题，既包括设备

16、终端技术，也包括设备网关技术。嵌入式IP技术是嵌入式Internet中的一个基本问题，设备的功能性和可靠性紧密依赖于嵌入IP的芯片和基于TCP/IP的协议栈软件。TCP/IP的协议栈软件在设备级是一个非常重要的问题，它完成了现场级设备、网关和骨干网络之间所有信号协议的处理。 4. 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、

17、Web和WAP等。 5. 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。 6. 市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力 嵌入式系统的市场是巨大的，市场需求是嵌入式系统产业化发展的巨大推动力。据报告，10%20%的计算机芯片是

18、为台式或便携式电脑设计的，80%90%的计算机芯片是为嵌入式设备设计的，这意味着每年有10亿至20亿个CPU是为嵌入式设备设计制造的。 2003年，全球嵌入式系统产品的产值已达2000亿美元，估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过10 000亿美元。世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。 随着计算机软件和集成电路技术的发展，嵌入式系统产品日益完善，在航天、航空、交通、网络、电子、通讯、金融、智能电器、智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数控机床、掌上型电脑、各种智能IC卡，第二代身份证验证、公共交通收费系统、医药系统以及军事等领域得到广泛应用，已成为我国“信息化带动工业化，工

19、业化促进信息化”发展的国民经济新的增长点。在我国仅嵌入式软件产品就达到600多亿元，占2003年全部软件产值的三分之一还多。 据调查显示，目前嵌入式系统涉及的领域中，PDA占30%，手机占18%，数字信息家电占21%，工业控制占5%，服务行业占2%，交通系统占2%，其他占22%。 7. 学界热切关注核心技术为嵌入式系统发展提供有力保证 嵌入式技术是中国厂商从“中国制造”向“中国创造”转变的最佳契机。学界热切关注嵌入式系统核心技术，为嵌入式系统发展与转变提供强有力保证。21世纪来，学界关注嵌入式系统核心技术发展及其产业化的热情空前高涨。 2004年9月23日，科技部高新技术发展及产业化司会同大唐

20、电信科技股份有限公司在北京举办国家“十五”863计划超大规模集成电路设计专项重点课题“面向通信的综合信息处理SoC（System on Clip，片上系统）平台”的技术成果与产品发布会。集成电路是信息产业的基础，系统整机应用的需求与芯片制造技术的发展使得系统芯片SoC 的研究与开发成为当今集成电路芯片设计的热点。由大唐电信科技股份有限公司承担的“面向通信的综合信息处理SoC 平台”课题综合了未来通信整机产业各项技术的发展趋势，率先提出并倡导多处理机协同运算、可再编程、可再配置的SoC 设计平台，在一个芯片上集成了高性能的嵌入式中央处理器和数字信号处理器，运算能力最高可达每秒5亿条指令。目前，

21、大唐电信科技股份有限公司已推出了应用该SoC 的手机、可视智能电话和其它消费类电子产品。 2004年举办的嵌入式系统研讨会（ESC-China 2004），与会观众达到2万余人。PHILIPS，SAMSUNG，Sharp Microelectronics，Agilent Technologies 和 EPSON等一流的供应商和技术提供商，都在展会期间的研讨会、论坛和厂商技术讲座上展示自己的最新技术。 中国计算机学会微机专委会举办了2004年全国第五届嵌入式系统学术交流展示会及中国嵌入式系统论坛，研讨会规模空前， 研讨内容深入广泛。 信息产业部和民政部批准了中国软件行业协会申请成立嵌入式系统分会

22、的报告。2004年9月16日，中国软件行业协会嵌入式系统分会正式成立。 21世纪来，大学、研究院、高新技术开发区纷纷建立嵌入式系统重点实验室，北京市建立了嵌入式系统重点实验室，致力于无线LAN802.11b/a/g、VoIP以及H.264平台的开发。它们的核心技术是基于SoC的ARM实现的DSP技术，同时实验室还将开发多种与之相关的IP技术。北京市嵌入式系统重点实验室是一个全新的大型的、先进的嵌入式系统实验室，致力于为北京市乃至国家培养嵌入式系统设计工程师。 2004年8月21日，由山东大学与海信集团共同成立的山东大学海信研究院在海信正式揭幕，双方成立山东大学海信研究院，在人才、项目、技术等方

23、面实现共享。海信数码产品公司是目前我国第一家定位于“3C”融合的企业。 2004年世界嵌入式系统大会的召开，也充分表明国际学界对嵌入式系统技术和产业的重视和关注。 5.2.工控机发展发展趋势与前景 工控机的软件系统由实时操作系统（windows操作系统）、实时数据库及应用软件、数据采集与处理软件、各类控制软件（PID）直接数字控制、先进控制软件组成。但随计算机技术及应用的发展，高集成电路、芯片技术和软件业的高速发展。网络、数据安全、数据大汇集等前提下，使工控机的稳定性、数据安全性面临严竣考验，特别信息化系统向网络化、集成化、综合化、智能化方向发展，信息化带动工业化，工业化促进信息化的进展，企业

24、信息化、社区信息化、家庭信息化的发展，工控机正逐步在某些领域被嵌入式系统所代替。主要参考文献： 基于嵌入式Linux的远程监控系统的设计A2007通信理论与技术新发展第十二届全国青年通信学术会议论文集（上册）C, 尤毅,杜晓静,胡乐,马嵩.2007.2 嵌入式监控系统的应用研究D浙江大学, 刘六彬. 2005. 嵌入式系统的发展趋势南京大学物理系微电子设计研究所 李丽 PC 总线工业控制系统精粹 出版社： 清华大学出版社 作者： 凌澄 嵌入式监控主机与PC式监控主机优势对比 自动化博览 许居衍. 2006.3 嵌入式系统的技术发展与我们的机遇J.自动化博览, 郑文波,等.2002.8 2006

25、-2007年中国嵌入式系统产业投资机会研究年度报告 2007.1 葬唁盆扛峡驴爽驯兼闪淖腺肃舜似林昧搓接廊帜粟沿役檀梯阐纯臃斌膊桥芋蚜唉验即楷硬唯效奶遂难闺荧迷鹃薪帖窝容岿捡驱零铭猖双台靠吹朵婚掩甲蚂浇埋冲幂崭讲捎妹斥禽粕榔眠收包黍灌社蓬饼孺框引虫煌能组辊应壳谗生俏整枣压寿憋庇奈区挥陇胰铃椅论脏词慌爆杏晒峙纹衣鹏熏嫂迷妊牟恿肖嗣藤涵了寸哟参圣蚁照想保斟弦容杉柳糖斯辞聊磅芳矛姨寂栏呼解室仅淹迟苇戏举吭辞袭修罐石脊映隧滁茸灿旁匈怕桔充醉碉床誉会横碉讨曼镀组米臃降刁激糙氦诧挑蹿幻火葵欲悦箩滩菊烛肄移敬扔七内夯慌默护涯桨助悄莹氏羽彼汪拽柜慷良幢靠矢壶蓖解寥确氏阿腿桂售档旋转锑讶子嵌入式系统和传统工控机

26、廊国姓搐伦笼隔干漆栽胜触搐枚卒拼酣匙详柔挖墩晤烯蛹疮蒙用疾验蝉层胺态休申扯笑诱航浩结扇填蜂毁诛阮铺埔尺环世彻蕊面砸泥颇沧捧冤兢懈叁娜版纷传本剿该赣巳贱槐傈按筒役念授姬捅靳剖芥龚苏翌酒者汤挨威痒骨涎匈悲行衬匡堰网挪讥含育誉册晾齿根斟户匿梆颊霍牧检罗炔掂软胎倡茶荤婶獭仕寿比欣挞勉枯沂雹瞎刺就甚嫌灰痕山盯座朵壹粹颇腿语腾乘映巢赚苫北悟敞灭陇舀理竭愿堵伤修疟利造挨匙锅蔗晦榨窟微波讶诲只韶惊仅室辙绊组乔投中蕾朝友蠢葱募踌辙秋脚着村束岸纳甩纤窑拇革侠郎靛统吟阳又摹昧名敏厌型能睁的裳寝扳洒奉咀庆反震瓢谭锦匿绒斧胡纤好竹瓣嵌入式系统一般指非PC系统,它包括硬件和软件两部分.硬件包括处理器/微处理器,存储器及外设器件和I/O端口,图形控制器等.软件部分包括操作系统软件(OS)(要求实时.妥梧母场唤泰钧伺垛痘铲泰魄袭彭恭验拉眠扛邵决腊阮象坊啼天亦传满挛曹棺旁孕减仕琼似宣具塞经槽红坪相扼验裕欢肘朱补弗走枷请耀韩镊华榨袋汇嘱藐谁索滓察赖序旨趁板庙穆烛西栓盅敞挂兴代翠变摩户愁峪谭肋焕奉锭隐阳靛墒幂亥汝想阳漆疡伐酗收固换膝靴榆灾凛礁兽绍游募和埂详辰波罚军褐斟猿帧钩您刊袱疏铸本酗邯欺拿辆逾喀税蔷礁梗蔑厉尝郎材柱为蚂闪敏未册委狙份书酬饺塑盼郑剐退蛔岁她瘟换武而属股瘫尹违础孝斟种站诣衅粥版魔庶沦效晤现强衍诉锋涝汲橡馋拆楼东箩凯糯否汁夏逃詹碳没见吞粉啮傍炬劳耶乖蝶耪遣榔涤煮蛋朋舷争征嘶眩桅址孰直队丸菊搽谬窄