嵌入式系統(tǒng)與普適計(jì)算

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 普適計(jì)算 手持設(shè)備 Windows CE 嵌入式設(shè)備

引 言

　　隨著計(jì)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(jì)算” (又叫“普及計(jì)算”，Pervasive Computing)?！捌者m計(jì)算”指的就是，“無論何時(shí)何地，只要您需要，就可以通過某種設(shè)備訪問到所需的信息”。從計(jì)算技術(shù)的角度來看，人類已經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)計(jì)算逐步延伸到了普適計(jì)算。

　　通俗來講，普適計(jì)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(jì)算設(shè)備制造技術(shù)、小型計(jì)算設(shè)備上的操作系統(tǒng)技術(shù)及軟件技術(shù)等。普適計(jì)算是指無所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式；主要針對(duì)移動(dòng)設(shè)備，比如信息家電或某種嵌入式設(shè)備，如掌上電腦、BP機(jī)、車載智能設(shè)備、筆記本計(jì)算機(jī)、手表、智能卡、智能手機(jī)（具有掌上電腦的一部分功能）、機(jī)頂盒、POS銷售機(jī)、屏幕電話（除了普通話機(jī)的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)）等新一代智能設(shè)備。普適計(jì)算設(shè)備可以一直或間斷地連接著網(wǎng)絡(luò)。與Internet、Intranet及Extranet連接，使用戶能夠隨時(shí)隨地獲取相關(guān)的各種信息，并做出回應(yīng)。由于普適計(jì)算設(shè)備的高度移動(dòng)性，所以也被稱為移動(dòng)計(jì)算。普適計(jì)算提供了經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)，使用各種各樣的普適計(jì)算設(shè)備，訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)的功能。無論使用何種普適計(jì)算設(shè)備，用戶將能輕易訪問信息，得到服務(wù)。普適計(jì)算降低了設(shè)備使用的復(fù)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(tǒng)的角度來講，普適計(jì)算是指使用小型計(jì)算設(shè)備、在位置不斷移動(dòng)的過程中或在地理位置分布很廣的范圍內(nèi)，在不穩(wěn)定的通信條件下實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)事務(wù)處理和企業(yè)核心數(shù)據(jù)訪問。這些小型計(jì)算設(shè)備，具有多種通信手段，如移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等，能與互聯(lián)網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)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(jì)算的軟件技術(shù)使用戶可以使用這些設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的聯(lián)機(jī)事務(wù)處理和信息訪問，因?yàn)橛脩羲褂玫脑O(shè)備體積小，可用的計(jì)算資源（內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備和CPU）都相當(dāng)有限，大部分處理工作由計(jì)算中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器完成。

　　Internet與網(wǎng)絡(luò)的迅速普及應(yīng)用，并向家庭領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，使消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信（3C）一體化趨勢(shì)日趨明顯；信息時(shí)代的來臨，使嵌入式系統(tǒng)日益受到市場(chǎng)和廠家的關(guān)注，嵌入式設(shè)備越來越普及，這也促進(jìn)了普適計(jì)算的發(fā)展。

1 嵌入式系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為技術(shù)核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)具體應(yīng)用的專用系統(tǒng)，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(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能。

　　嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應(yīng)用程序等四部分組成，是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”；用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

　　嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)仍然能夠正常工作；許多嵌入式應(yīng)用要求實(shí)時(shí)處理能力，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)具有實(shí)時(shí)處理能力；嵌入式系統(tǒng)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(chǔ)器中或閃存中，也就是說軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)，而不是存儲(chǔ)在磁盤等載體中。

2 普適計(jì)算和無線互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的關(guān)系

　　IBM提出“普適計(jì)算”概念時(shí)，是為了用來描述個(gè)人計(jì)算機(jī)不再處于創(chuàng)新核心的時(shí)代，有意地不將其稱之為無線時(shí)代。因?yàn)镮BM看到計(jì)算、通信、存儲(chǔ)和處理的功能從傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到各種各樣的設(shè)備上。今天，我們還僅僅把普適計(jì)算與移動(dòng)電話、PDA聯(lián)系了起來，但是計(jì)算正在以不同的形態(tài)和體驗(yàn)出現(xiàn)--它正在不斷裝入氣泵、計(jì)量表、電器和衣物中。對(duì)于IBM這樣的公司而言，“普適計(jì)算”之所以重要，是因?yàn)樗鼘?duì)基礎(chǔ)設(shè)施和前端設(shè)備的影響同樣重要。對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)來說，“普適計(jì)算”將改變企業(yè)與其客戶、供應(yīng)商和員工之間相互交流的方式。通過隨時(shí)隨地地接觸客戶和移動(dòng)辦公來從電子商務(wù)投資中獲取更多的收益。更重要的是，普適計(jì)算對(duì)被信息包圍著的人類來說，可以降低設(shè)備使用的復(fù)雜程度，使我們的生活更輕松、有效率。

　　實(shí)際上普適計(jì)算是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的自然延伸，它使得不僅PC機(jī)而且其它小巧的智能設(shè)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(dāng)這種運(yùn)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(shè)備（主要是嵌入式系統(tǒng)設(shè)備），隨時(shí)隨地獲得信息。所謂“一致的方式”，強(qiáng)調(diào)的是關(guān)鍵信息、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的一致，而它的表現(xiàn)形式可以是多樣化的，因用戶喜好、設(shè)備等因素而異。

3 普適計(jì)算與傳統(tǒng)運(yùn)算模式的比較

　　普適計(jì)算與傳統(tǒng)運(yùn)算模式有很大的不同，從而對(duì)提供服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施提出了新的要求。傳統(tǒng)運(yùn)算模式是兩層結(jié)構(gòu)：針對(duì)某種設(shè)備設(shè)計(jì)某種系統(tǒng)，以適合該種特定設(shè)備訪問和顯示。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)那種特定設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和顯示性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　普適計(jì)算模式在實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用服務(wù)對(duì)多種智能設(shè)備的連接時(shí)存在很大的困難，這使得每增加一種設(shè)備都需要改寫那些應(yīng)用服務(wù)，而每增加一種服務(wù)都需要改寫那些設(shè)備上的應(yīng)用程序。這種限制是由于現(xiàn)有系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)所決定的。然而，我們很難預(yù)見未來還會(huì)出現(xiàn)什么新穎的，用戶樂于使用的智能設(shè)備；而且有的設(shè)備可以雙向通信，有的只能單向被動(dòng)地接收信息?，F(xiàn)有系統(tǒng)在擴(kuò)充對(duì)新設(shè)備和新應(yīng)用服務(wù)的支持時(shí)非常復(fù)雜。例如，今天我們已經(jīng)可以用SMS（短消息）和WAP手機(jī)訪問股票信息，我們不能預(yù)見明天的熱門設(shè)備是什么，況且，每個(gè)人的個(gè)性因人而異，對(duì)設(shè)備的喜好也希望個(gè)性化，未來的信息設(shè)備將會(huì)是群雄并起，百家爭(zhēng)鳴。

4 普適計(jì)算需要的條件

　　第一，處理器價(jià)格越來越便宜，而體積越來越小，使得計(jì)算機(jī)功能得以廣泛應(yīng)用?？梢詫⒂?jì)算機(jī)部件安裝在任何用于監(jiān)控或采集數(shù)據(jù)的各種小型計(jì)算物理設(shè)備上，例如家用電器、數(shù)據(jù)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(xiàn)在已被廣泛應(yīng)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(tǒng)的覆蓋能力和范圍比任何通信系統(tǒng)都要廣，且價(jià)格低廉。 蜂窩電話不必插在墻壁上，用戶在任何地方都能打。通過蜂窩技術(shù)的連接，不用物理連線就可以將POS銷售機(jī)連到局域網(wǎng)上。

5 普適計(jì)算的特性

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

　　普適計(jì)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（特別是移動(dòng)用戶）保持聯(lián)系。用戶必須能夠存取服務(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(jì)算中心的數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)器能否同用戶保持有效的聯(lián)系就成為一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。由于有部分?jǐn)?shù)據(jù)要存儲(chǔ)在普適計(jì)算設(shè)備上，普適計(jì)算中的數(shù)據(jù)庫(kù)成為一個(gè)很關(guān)鍵的軟件基礎(chǔ)部件。例如，新型的汽車上安裝了許多小型的車用計(jì)算機(jī)部件，用來控制燃料的使用，根據(jù)溫度和氣壓調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這些部件彼此相連，并把測(cè)出數(shù)據(jù)作為汽車運(yùn)行保養(yǎng)的分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)汽車修理時(shí)，修理人員插入一個(gè)計(jì)算機(jī)連接器件，獲取這些數(shù)據(jù)來分析。還可以增加復(fù)雜的數(shù)據(jù)連接功能，如連接到全球定位系統(tǒng)，讓司機(jī)準(zhǔn)確獲知當(dāng)前的位置，與電子地圖相連，輸入目的地，顯示出到達(dá)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(yù)報(bào)、飯店的地址和電話等。完善的數(shù)據(jù)連接功能可以為用戶提供更多的服務(wù)。

　　普適計(jì)算的第二個(gè)特征是輕量計(jì)算，即計(jì)算資源相對(duì)有限。普適計(jì)算主要用于商業(yè)用途的數(shù)據(jù)處理，通常針對(duì)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)上的數(shù)據(jù)。

6 普適計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求

　　數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的重要基礎(chǔ)。如果直接把傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用移植到移動(dòng)設(shè)備上，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的開銷要求較高。普適計(jì)算中數(shù)據(jù)庫(kù)要解決的兩個(gè)問題是：第一是數(shù)據(jù)復(fù)制的實(shí)現(xiàn)，也可稱為數(shù)據(jù)同步化，確保隨時(shí)隨地?cái)?shù)據(jù)一致，并促使設(shè)備與服務(wù)器的數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)。第二是開發(fā)支持標(biāo)準(zhǔn)API和SQL子集的小型DB2，使用戶可以將已有的應(yīng)用程序，方便地移植到這些設(shè)備上，也可以用相同的工具和API來編寫新的應(yīng)用程序；同時(shí)保持較低的系統(tǒng)開銷和較高的數(shù)據(jù)處理性能。所用的數(shù)據(jù)則來自用數(shù)據(jù)復(fù)制功能從中心服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)。

　　普適計(jì)算的數(shù)據(jù)庫(kù)必須是一種具有持久存儲(chǔ)機(jī)制的可縮放數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，并且能保證操作過程中即使斷電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。通常的辦法是把數(shù)據(jù)放在Flash內(nèi)存中，所以數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)與普通的數(shù)據(jù)庫(kù)不太一樣。多用戶環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)要考慮記錄鎖定的問題，所以具有并發(fā)控制機(jī)制，但移動(dòng)式數(shù)據(jù)庫(kù)并不一定需要封鎖機(jī)制。此外，由于數(shù)據(jù)量較少，索引也相應(yīng)減少，一些傳統(tǒng)的查詢優(yōu)化技術(shù)也變得不太重要，所以移動(dòng)式數(shù)據(jù)庫(kù)與典型的數(shù)據(jù)庫(kù)差別還是較大的。因此，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)就有三個(gè)基本要求：

　　第一，在普適計(jì)算設(shè)備上安裝一個(gè)系統(tǒng)開銷低的小型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，用于在本地存取信息。由于設(shè)備通常很小，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)必須要比目前更小才能適合這些設(shè)備。

　　第二，在軟件的分布、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)、移動(dòng)存取等方面，要具備高效、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)復(fù)制能力。保證移動(dòng)設(shè)備上的數(shù)據(jù)與企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)同步，因此，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份和恢復(fù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理等方面都有特殊要求。

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

　　IBM的DB2數(shù)據(jù)庫(kù)移動(dòng)版本是一套比較成熟的普適計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，安裝在移動(dòng)設(shè)備上時(shí)，提供了一系列的功能選項(xiàng)供用戶選擇，除了創(chuàng)建表、插入、刪除、修改、查詢、排序、主關(guān)鍵字、索引和連接操作等數(shù)據(jù)庫(kù)核心功能外，其它擴(kuò)展功能如子查詢、聚集、并發(fā)控制、備份和恢復(fù)等都可以根據(jù)實(shí)際情況有選擇地配置。

7 普適計(jì)算對(duì)于系統(tǒng)開銷的要求

　　按普適計(jì)算對(duì)于系統(tǒng)開銷的要求通?？梢苑譃槿N類型，分別使用三類操作系統(tǒng)，適用于不同類型的用戶，針對(duì)不同的市場(chǎng)，有三種不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

　　第一種是Windows CE，它具有典型的前端辦公形式應(yīng)用程序，是用于商務(wù)處理的完整操作系統(tǒng)，在小型輕便個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。用戶用微型鍵盤輸入數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)開銷大約為2 MB，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的開銷很小 ，大約只有1 MB，物理存儲(chǔ)量約在500 MB~600 MB之間。

　　第二種是手持設(shè)備（又叫掌上機(jī)，Palm），運(yùn)行生產(chǎn)商特制的掌上機(jī)操作系統(tǒng)（Palm OS）。這種設(shè)備比Windows CE設(shè)備更小，通過手寫筆進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，配有一個(gè)很小的瀏覽窗口。通常該設(shè)備上數(shù)據(jù)庫(kù)可用的內(nèi)存容量小于1MB，物理存儲(chǔ)量在500 MB以下。

　　第三種設(shè)備的代表是汽車的內(nèi)置計(jì)算機(jī)部件。這種設(shè)備只有100 KB的內(nèi)存，沒有硬盤存儲(chǔ)，運(yùn)行用專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)商開發(fā)的操作系統(tǒng)。

8 普適計(jì)算用途及前景

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

　　正在興起的普適計(jì)算帶來許許多多新的機(jī)會(huì)，數(shù)字家庭就是其中之一。它將改變?nèi)藗兾磥淼纳罘绞?。?shù)字家庭能通過家庭網(wǎng)關(guān)將寬帶網(wǎng)絡(luò)接入家庭，家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)可以是無線或有線的。在家庭內(nèi)部，手持設(shè)備、PC或者家用電器通過有線或者無線的方式連接到網(wǎng)絡(luò)，從而提供了一個(gè)無縫、交互和普適計(jì)算的環(huán)境。人們能在任何地點(diǎn)、任何時(shí)候訪問社區(qū)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比如在社區(qū)里預(yù)定一場(chǎng)比賽的門票，電子家庭解決方案通過高級(jí)的設(shè)備與電器診斷、自動(dòng)定時(shí)、集中和遠(yuǎn)程控制等功能，令生活更方便舒適；通過遠(yuǎn)程監(jiān)控器監(jiān)控家庭的情況，使生活更安全。IBM提出普適計(jì)算概念的目標(biāo)是發(fā)展更具實(shí)用意義的各類信息終端產(chǎn)品，從而真正實(shí)現(xiàn)電子商務(wù)向信息終端產(chǎn)品的延伸。目前，IBM已將普適計(jì)算確定為電子商務(wù)之后的又一重大發(fā)展戰(zhàn)略，并開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端的 Websphere Everyplace 軟件套件的嵌入式版本。

　　IBM公司負(fù)責(zé)普適計(jì)算的高級(jí)副總裁Michael Rhodin先生認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的基本條件是計(jì)算設(shè)備越來越小，方便人們隨時(shí)隨地佩帶和使用。在計(jì)算設(shè)備無時(shí)不在、無所不在的條件下，普適計(jì)算才有可能實(shí)現(xiàn)。但計(jì)算設(shè)備功能的增強(qiáng)和體積的變小帶來了一個(gè)人們必須面對(duì)的問題：如何有效地操作這些設(shè)備? 解決的辦法只有一個(gè)：讓計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。例如，IBM研發(fā)的BlueBoard（藍(lán)板）技術(shù)，是一片薄薄的屏幕板，使用者只用其胸前掛著的看上去與普通員工卡沒什么兩樣的小卡片，對(duì)準(zhǔn)藍(lán)板一下，就可以顯示出其個(gè)人主頁(yè)及定制好的其它內(nèi)容。其后的一切操作和任務(wù)都只靠使用者的手指在藍(lán)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，將來人們旅行時(shí)，不再需要攜帶計(jì)算機(jī)，只需帶著這張小小的卡片，進(jìn)入系統(tǒng)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(tái)計(jì)算機(jī)。

結(jié) 語(yǔ)

　　目前，計(jì)算和信息訪問還是一種工作方式，使用計(jì)算機(jī)還是一種“技術(shù)”。如果有一天，計(jì)算和信息訪問將不再是一種“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)每刻都離不開它們, 那么可以說，我們就實(shí)現(xiàn)了“普適計(jì)算”的理想境界。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使普適計(jì)算的深度和廣度不斷擴(kuò)大，為開發(fā)新型的應(yīng)用和服務(wù)提供了近乎無限的可能性，各行各業(yè)都可能使用普適計(jì)算?，F(xiàn)在，IBM的科學(xué)家們正在為著這一目標(biāo)努力。

　　“普適計(jì)算”這個(gè)概念的出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，希望本文對(duì)普適計(jì)算的研究有拋磚引玉之效。