嵌入式移動通信技術(shù)的研究與發(fā)展
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Internet與網(wǎng)絡(luò)的迅速普及應(yīng)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(tǒng)再度成為研究與應(yīng)用的熱點。
嵌入式系統(tǒng)被描述為: 以應(yīng)用為中心, 軟硬件可裁減的, 適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)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(shè)備、IC 卡或信用卡讀取設(shè)備等。
嵌入式操作 (real- time embedded operating system,RTOS 或EOS) 是一種實時的、支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件, 它是嵌入式系統(tǒng)( 包括硬、軟件系統(tǒng)) 極為重要的組成部分, 通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面。標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器 Browser 等。
目前, 嵌入式操作系統(tǒng)的品種較多, 據(jù)統(tǒng)計, 僅用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)相比較, 嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。象前途無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)。在個人領(lǐng)域中, 嵌入式產(chǎn)品將主要是個人商用, 作為個人移動的數(shù)據(jù)處理和通訊軟件。由于嵌入式設(shè)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。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。
目前一些先進的 PDA 在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布, 日用范圍也將日益廣闊。對于企業(yè)專用解決方案, 如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等, 這種小型手持嵌入式系統(tǒng)將發(fā)揮巨大的作用。自動控制領(lǐng)域, 不僅可以用于 ATM 機, 自動售貨機, 工業(yè)控制等專用設(shè)備, 和移動通訊設(shè)備結(jié)合、GPS、娛樂相結(jié)合, 嵌入式系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮巨大的作用。長虹推出的 ADSL產(chǎn)品, 結(jié)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(xí)和研發(fā)的各種配套開發(fā)包。目前低層系統(tǒng)和硬件平臺經(jīng)過若干年的研究, 已經(jīng)相對比較成熟, 實現(xiàn)各種功能的芯片應(yīng)有盡有。而且巨大的市場需求給我們提供了學(xué)習(xí)研發(fā)的資金和技術(shù)力量。
我國自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺 DeltaSystem, 中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系統(tǒng)( 雖然還不夠完善) 。同時由于是研究熱點, 所以我們可以在網(wǎng)上找到各種各樣的免費資源, 從各大廠商的開發(fā)文檔, 到各種驅(qū)動, 程序源代碼, 甚至很多廠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), 無疑是個資源寶庫。對于軟件設(shè)計來說, 不管是上手還是進一步開發(fā), 都相對來說比較容易。這就使得很多生手能夠比較快的進入研究狀態(tài), 利于發(fā)揮大家的積極創(chuàng)造性。
2 未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
信息時代, 數(shù)字時代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機, 為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景, 同時也對嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn), 從中我們可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢:
2.1 嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程, 因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身, 同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。
目前很多廠商已經(jīng)充分考慮到這一點, 在主推系統(tǒng)的同時,將開發(fā)環(huán)境也作為重點推廣。比如三星在推廣 Arm7, Arm9 芯片的同時還提供開發(fā)板和版及支持包(BSP) , 而 WindowCE 在主推系統(tǒng)時也提供 Embedded VC++作為開發(fā)工具, 還有 Vxworks 的Tonado 開發(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(xiàn)。當(dāng)然, 這也是市場競爭的結(jié)果。
2.2 網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬日益提高, 使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一, 結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這就要求芯片設(shè)計廠商在芯片上集成更多的功能, 為了滿足應(yīng)用功能的升級, 設(shè)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, 同時增加功能接口, 如 USB, 擴展總線類型, 如 CAN BUS, 加強對多媒體、圖形等的處理, 逐步實施片上系統(tǒng)(SOC) 的概念。軟件方面采用實時多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性, 簡化應(yīng)用程序設(shè)計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。
2.3 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢
未來的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)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(tǒng)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)開始內(nèi)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, 同時也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡(luò)模塊, 甚至可以在設(shè)備上嵌入 Web 瀏覽器, 真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。
2.4 精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法, 降低功耗和軟硬件成本
未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備, 為了減低功耗和成本, 需要設(shè)計者盡量精簡系統(tǒng)內(nèi)核, 只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件, 利用最低的資源實現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ? 這就要求設(shè)計
者選用最佳的編程模型和不斷改進算法, 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(shè)備能與用戶親密接觸, 最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面, 靈活的控制方式, 使得人們感覺嵌入式設(shè)備就象是一個熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設(shè)計者要在圖形界面, 多媒體技術(shù)上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。目前一些先進的 PDA 在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布, 但一般的嵌入式設(shè)備距離這個要求還有很長的路要走。
3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的過程
3.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的過程
按照常規(guī)的工程設(shè)計方法, 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計可以分成 3 個階段: 分析, 設(shè)計和實現(xiàn)。分析階段是確定要解決的問題及需要完成的目標(biāo), 也常常被稱為需求階段; 設(shè)計階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求; 實現(xiàn)階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件基礎(chǔ)上進行整個軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實現(xiàn)。在分析階段結(jié)束后, 開發(fā)者通常面臨的一個棘手的問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實現(xiàn)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(tǒng)、編程語言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)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(tǒng)和編程語言也是非常關(guān)鍵的。處理器的選擇常常會限制操作系統(tǒng)的選擇,操作系統(tǒng)的選擇又會限制開發(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(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計, 目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 多種, 流行體系有 30 幾個系列。但與全球 PC 市場不同的是。沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導(dǎo)嵌入式系統(tǒng), 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(tǒng)設(shè)計的差異性很大, 因此選擇是多樣化的。ARM 是近年來在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器架構(gòu),ARM的設(shè)計非常適用于小型的嵌入式設(shè)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(guī)模。如果生產(chǎn)規(guī)模比較大, 可以自己設(shè)計和制備硬件, 這樣可以降低成本。反之, 最好從第三方購買主板和 I/O 板卡。
其次, 需要考慮開發(fā)的市場目標(biāo), 如果想使產(chǎn)品盡快發(fā)售, 以獲得競爭力, 就要盡可能購買成熟的硬件。反之, 可以自己設(shè)計硬件, 降低成本。
另外, 軟件對硬件的依賴性, 即軟件是否可以在硬件沒有到位的時候并行設(shè)計或先行開發(fā)也是硬件選擇的一個考慮因素。
最后, 只要可能, 盡量選擇使用普通的硬件。在 CPU 及架構(gòu)的選擇上, 一個原則是: 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
嵌入式軟件的開發(fā)流程, 主要涉及代碼編程、交叉編譯、交叉連結(jié)、下載到目標(biāo)板和調(diào)試等幾個步驟, 因此軟件平臺的選擇也涉及操作系統(tǒng)、編程語言和集成開發(fā)環(huán)境 3 個方面。
3.3.1 操作系統(tǒng)的選擇
硬件方案確定之后, 操作系統(tǒng)的選擇就相對輕松了。硬件的不同, 會影響操作系統(tǒng)的選擇。低端無存儲器管理單元的 CPU, 要使用 UCLINUX 操作系統(tǒng), 常用的嵌入式操作系統(tǒng)有: LINUX、WINCE、YORNADE/VXWORKS等。
3.3.2 編程語言的選擇
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程中使用的語言種類很多。比較廣泛應(yīng)用的高級語言有 ADA, C/C++, JAVA 和 C# 等。ADA 語言定義嚴(yán)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(yīng)用比較廣泛, 未來仍將在這些領(lǐng)域占有重要地位。C語言具有廣泛的庫函數(shù)支持, 目前在嵌入式系統(tǒng)中是應(yīng)用最廣泛的編程語言, 在將來很長一段時間內(nèi)仍將在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域占重要地位。
C++是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言, 目前在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中也是得到了廣泛的應(yīng)用。但 C 與 C++相比, C++的目標(biāo)代碼往往比較龐大和復(fù)雜, 在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)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(yīng)用也將越來越廣泛, 但是消耗硬件資源較大。
3.3.3 集成開發(fā)環(huán)境的選擇
集成開發(fā)環(huán)境是進行開發(fā)時的重要平臺, 開發(fā)者選擇時應(yīng)考慮以下因素:
系統(tǒng)調(diào)試器的功能, 包括遠程調(diào)試環(huán)境;支持庫函數(shù): 許多開發(fā)系統(tǒng)提供大量使用的庫函數(shù)和模板代碼, 如大家比較熟悉 C++編譯器就帶有標(biāo)準(zhǔn)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?qū)ο?編譯器開發(fā)商是否持續(xù)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
在進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)時, 首先面臨的難題就是如何挑選一個適合的開發(fā)平臺。ARM系列處理器是專門針對嵌入式設(shè)備設(shè)計的, 是目前構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)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(shè)計 16 位和 32 位的嵌入式處理器。但它本身并不生產(chǎn)和銷售芯片, 而是采用技術(shù)授權(quán)的方式, 由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM公司購買其設(shè)計的 ARM微處理器核, 根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域, 加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐? 從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。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, 又使整個系統(tǒng)成本降低, 使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接收, 更具有競爭力。
目前, 采用 ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)的微處理器, 即我們通常所說的 ARM微處理器, 已遍及工業(yè)控制, 消費類電子產(chǎn)品, 通信系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 無限系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場, 基于 ARM技術(shù)微處理器的應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75 以上的市場份額。
4 移動通信技術(shù)
傳統(tǒng)的 GSM網(wǎng)絡(luò)僅能 9.6Kbit/s 速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù), 這遠遠不能滿足用戶對高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。GPRS(GeneralPacket Radio Service, 通用分組無線業(yè)務(wù)) 是構(gòu)架在傳統(tǒng) GSM 網(wǎng)絡(luò)之上的一種標(biāo)準(zhǔn)化的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), 它可以提供高達115kbit/s 速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), 從而使得包括圖片、話音和視頻的多媒體業(yè)務(wù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸成為現(xiàn)實。GPRS 采用分組交換技術(shù)、在通信的過程中不需要建立和保持電路, 符合數(shù)據(jù)通信突發(fā)性的特點, 并且呼叫建立時間很短。GPRS 不再根據(jù)用戶實際的數(shù)據(jù)流量來計費, 這樣就允許用戶始終在線, 享受方便快捷的服務(wù)。因此, GPRS 被認為是第二代移動通信系統(tǒng)向第三代移動通信演進的重要一步。
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(yīng)用最為廣泛的兩種傳輸協(xié)議。通過GPRS, 人們可以在移動通信網(wǎng)絡(luò)( 尤其在 GSM 網(wǎng)絡(luò)) 上實現(xiàn)對 IP和 X.25 網(wǎng)絡(luò)的訪問和應(yīng)用。正是由于這兩種協(xié)議的應(yīng)用, 移動臺和終端設(shè)備( 如筆記本電腦) 可以以點到點或點到多點的方式訪問全球任何一個網(wǎng)絡(luò), 如圖(GPRS 硬件平臺) 所示。
GPRS 支持 IP 和 X.25 等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 人們就可以很簡便地配置 PC 以使其能在 GPRS 環(huán)境下通信, 用戶可以使用諸如Windows98/NT、WindowsCE 內(nèi)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;可以通過 WAP 協(xié)議實現(xiàn)微瀏覽的蜂窩電話;集成了 GPRS 的專用設(shè)備;GPRS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
4.2 數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收
筆記本電腦通過串行或無線方式連接到 GPRS 蜂窩電話或Modem 上。GPRS 蜂窩電話或 Modem 與 GSM基站通信, 但與電路交換式數(shù)據(jù)呼叫不同, PRS 分組是從基站發(fā)送到服務(wù) GPRS 支持節(jié)點(SGSN) , 而不是通過移動交換中心(MSC) 連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN 與網(wǎng)關(guān) GPRS 支持節(jié)點(GGSN) 進行通信; GGSN 對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理, 再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò), 如 Internet 或 X.25 網(wǎng)絡(luò), 見圖(GSN 系統(tǒng)中的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)) 所示:來自 Internet、標(biāo)識有移動臺地址的 IP 包, 由 GGSN 接收, 再轉(zhuǎn)發(fā)到 SGSN, 繼而傳送到移動臺上。
4.3 GPRS 的優(yōu)勢
GPRS 最重要的革新之處在于, 它在移動通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸是基于分組的, 從而將數(shù)據(jù)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 PC, 用戶無需再撥號到 ISP。GPRS 技術(shù)的發(fā)展進一步提高了信道利用率, 提供更 大的帶寬, 從而降低移動數(shù)據(jù)通信的費用。GPRS 對移動數(shù)據(jù)應(yīng)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 GSM 實現(xiàn)的其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ( 如電路交換數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信能力。
5 總結(jié)
總之, 形式多樣的嵌入式設(shè)備正努力把 Internet 連接到人們生活各個角落, 中國嵌入式設(shè)備的潛在消費者數(shù)量將以億為單位。如果說 PC 機的發(fā)展帶動了整個桌面軟件的發(fā)展, 那么嵌入式產(chǎn)品的廣泛普及其在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用必將為嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無窮的推動力。
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