嵌入式系統(tǒng)與普適計算

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

引 言

　　隨著計算技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)由PC時代進入網(wǎng)絡(luò)時代，進而進入后PC時代。IBM在1999年創(chuàng)造了一個名詞--“普適計算” (又叫“普及計算”，Pervasive Computing)?！捌者m計算”指的就是，“無論何時何地，只要您需要，就可以通過某種設(shè)備訪問到所需的信息”。從計算技術(shù)的角度來看，人類已經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)計算逐步延伸到了普適計算。

　　通俗來講，普適計算的含義十分廣泛，所涉及的技術(shù)包括移動通信技術(shù)、小型計算設(shè)備制造技術(shù)、小型計算設(shè)備上的操作系統(tǒng)技術(shù)及軟件技術(shù)等。普適計算是指無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式；主要針對移動設(shè)備，比如信息家電或某種嵌入式設(shè)備，如掌上電腦、BP機、車載智能設(shè)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銷售機、屏幕電話（除了普通話機的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)）等新一代智能設(shè)備。普適計算設(shè)備可以一直或間斷地連接著網(wǎng)絡(luò)。與Internet、Intranet及Extranet連接，使用戶能夠隨時隨地獲取相關(guān)的各種信息，并做出回應(yīng)。由于普適計算設(shè)備的高度移動性，所以也被稱為移動計算。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(shè)備，訪問后臺數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)的功能。無論使用何種普適計算設(shè)備，用戶將能輕易訪問信息，得到服務(wù)。普適計算降低了設(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，普適計算是指使用小型計算設(shè)備、在位置不斷移動的過程中或在地理位置分布很廣的范圍內(nèi)，在不穩(wěn)定的通信條件下實現(xiàn)聯(lián)機事務(wù)處理和企業(yè)核心數(shù)據(jù)訪問。這些小型計算設(shè)備，具有多種通信手段，如移動通信網(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。普適計算的軟件技術(shù)使用戶可以使用這些設(shè)備進行復(fù)雜的聯(lián)機事務(wù)處理和信息訪問，因為用戶所使用的設(shè)備體積小，可用的計算資源（內(nèi)存、存儲設(shè)備和CPU）都相當有限，大部分處理工作由計算中心的數(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)域不斷擴展，使消費電子、計算機、通信（3C）一體化趨勢日趨明顯；信息時代的來臨，使嵌入式系統(tǒng)日益受到市場和廠家的關(guān)注，嵌入式設(shè)備越來越普及，這也促進了普適計算的發(fā)展。

1 嵌入式系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計算機為技術(shù)核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。和通用計算機不同，嵌入式系統(tǒng)是針對具體應(yīng)用的專用系統(tǒng)，目的就是要把一切變得更簡單、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，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(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立工作的“器件”；用于實現(xiàn)對其它設(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)用要求實時處理能力，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)具有實時處理能力；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器中或閃存中，也就是說軟件要求固態(tài)化存儲，而不是存儲在磁盤等載體中。

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

　　IBM提出“普適計算”概念時，是為了用來描述個人計算機不再處于創(chuàng)新核心的時代，有意地不將其稱之為無線時代。因為IBM看到計算、通信、存儲和處理的功能從傳統(tǒng)的計算機轉(zhuǎn)移到各種各樣的設(shè)備上。今天，我們還僅僅把普適計算與移動電話、PDA聯(lián)系了起來，但是計算正在以不同的形態(tài)和體驗出現(xiàn)--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(chǔ)設(shè)施和前端設(shè)備的影響同樣重要。對企業(yè)的經(jīng)營來說，“普適計算”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。通過隨時隨地地接觸客戶和移動辦公來從電子商務(wù)投資中獲取更多的收益。更重要的是，普適計算對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(shè)備也可以連接到網(wǎng)絡(luò)中，從而方便人們即時地獲得信息并采取行動。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(shè)備（主要是嵌入式系統(tǒng)設(shè)備），隨時隨地獲得信息。所謂“一致的方式”，強調(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 普適計算與傳統(tǒng)運算模式的比較

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

　　普適計算模式在實現(xiàn)多種應(yīng)用服務(wù)對多種智能設(shè)備的連接時存在很大的困難，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，有的只能單向被動地接收信息。現(xiàn)有系統(tǒng)在擴充對新設(shè)備和新應(yīng)用服務(wù)的支持時非常復(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，每個人的個性因人而異，對設(shè)備的喜好也希望個性化，未來的信息設(shè)備將會是群雄并起，百家爭鳴。

4 普適計算需要的條件

　　第一，處理器價格越來越便宜，而體積越來越小，使得計算機功能得以廣泛應(yīng)用。可以將計算機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特征。普適計算的軟件技術(shù)就是要實現(xiàn)在這種環(huán)境下的事務(wù)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　普適計算的第一個特征是間斷連接，是服務(wù)器能否不時地同用戶（特別是移動用戶）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)系就成為一個十分關(guān)鍵的因素。由于有部分數(shù)據(jù)要存儲在普適計算設(shè)備上，普適計算中的數(shù)據(jù)庫成為一個很關(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算機部件，用來控制燃料的使用，根據(jù)溫度和氣壓調(diào)整發(fā)動機的運轉(zhuǎn)。這些部件彼此相連，并把測出數(shù)據(jù)作為汽車運行保養(yǎng)的分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當汽車修理時，修理人員插入一個計算機連接器件，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(yù)報、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)。

　　普適計算的第二個特征是輕量計算，即計算資源相對有限。普適計算主要用于商業(yè)用途的數(shù)據(jù)處理，通常針對移動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間限制地獲取和處理核心系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)。

6 普適計算對數(shù)據(jù)庫的要求

　　數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)普適計算的重要基礎(chǔ)。如果直接把傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用移植到移動設(shè)備上，對數(shù)據(jù)庫的開銷要求較高。普適計算中數(shù)據(jù)庫要解決的兩個問題是：第一是數(shù)據(jù)復(fù)制的實現(xiàn)，也可稱為數(shù)據(jù)同步化，確保隨時隨地數(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。第二是開發(fā)支持標準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)。

　　普適計算的數(shù)據(jù)庫必須是一種具有持久存儲機制的可縮放數(shù)據(jù)庫環(huán)境，可以存儲大量數(shù)據(jù)，并且能保證操作過程中即使斷電也不會丟失數(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)庫不太一樣。多用戶環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)要考慮記錄鎖定的問題，所以具有并發(fā)控制機制，但移動式數(shù)據(jù)庫并不一定需要封鎖機制。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，所以移動式數(shù)據(jù)庫與典型的數(shù)據(jù)庫差別還是較大的。因此，對數(shù)據(jù)庫就有三個基本要求：

　　第一，在普適計算設(shè)備上安裝一個系統(tǒng)開銷低的小型數(shù)據(jù)庫管理系統(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)、移動存取等方面，要具備高效、實時的數(shù)據(jù)復(fù)制能力。保證移動設(shè)備上的數(shù)據(jù)與企業(yè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)同步，因此，對數(shù)據(jù)庫的備份和恢復(fù)、分布式數(shù)據(jù)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(yīng)用程序要求能夠交流、存取信息。

　　IBM的DB2數(shù)據(jù)庫移動版本是一套比較成熟的普適計算數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，安裝在移動設(shè)備上時，提供了一系列的功能選項供用戶選擇，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)庫核心功能外，其它擴展功能如子查詢、聚集、并發(fā)控制、備份和恢復(fù)等都可以根據(jù)實際情況有選擇地配置。

7 普適計算對于系統(tǒng)開銷的要求

　　按普適計算對于系統(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，針對不同的市場，有三種不同的數(shù)據(jù)存儲需求。

　　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)，在小型輕便個人計算機上運行。用戶用微型鍵盤輸入數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)開銷大約為2 MB，所以數(shù)據(jù)庫的開銷很小 ，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(shè)備（又叫掌上機，Palm），運行生產(chǎn)商特制的掌上機操作系統(tǒng)（Palm OS）。這種設(shè)備比Windows CE設(shè)備更小，通過手寫筆進行數(shù)據(jù)錄入，配有一個很小的瀏覽窗口。通常該設(shè)備上數(shù)據(jù)庫可用的內(nèi)存容量小于1MB，物理存儲量在500 MB以下。

　　第三種設(shè)備的代表是汽車的內(nèi)置計算機部件。這種設(shè)備只有100 KB的內(nèi)存，沒有硬盤存儲，運行用專用的實時操作系統(tǒng)開發(fā)商開發(fā)的操作系統(tǒng)。

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)在的計算機部件越來越小，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、計算機和網(wǎng)絡(luò)連接等設(shè)備。

　　正在興起的普適計算帶來許許多多新的機會，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)，從而提供了一個無縫、交互和普適計算的環(huán)境。人們能在任何地點、任何時候訪問社區(qū)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比如在社區(qū)里預(yù)定一場比賽的門票，電子家庭解決方案通過高級的設(shè)備與電器診斷、自動定時、集中和遠程控制等功能，令生活更方便舒適；通過遠程監(jiān)控器監(jiān)控家庭的情況，使生活更安全。IBM提出普適計算概念的目標是發(fā)展更具實用意義的各類信息終端產(chǎn)品，從而真正實現(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公司負責(zé)普適計算的高級副總裁Michael Rhodin先生認為，實現(xiàn)普適計算的基本條件是計算設(shè)備越來越小，方便人們隨時隨地佩帶和使用。在計算設(shè)備無時不在、無所不在的條件下，普適計算才有可能實現(xiàn)。但計算設(shè)備功能的增強和體積的變小帶來了一個人們必須面對的問題：如何有效地操作這些設(shè)備? 解決的辦法只有一個：讓計算機學(xué)會理解人的表情、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的看上去與普通員工卡沒什么兩樣的小卡片，對準藍板一下，就可以顯示出其個人主頁及定制好的其它內(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、與同事實時互傳信息、發(fā)送指令、布置任務(wù)、協(xié)同工作等。簡直是太方便了！有了BlueBoard，將來人們旅行時，不再需要攜帶計算機，只需帶著這張小小的卡片，進入系統(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計算機。

結(jié) 語

　　目前，計算和信息訪問還是一種工作方式，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，但卻每時每刻都離不開它們, 那么可以說，我們就實現(xiàn)了“普適計算”的理想境界。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使普適計算的深度和廣度不斷擴大，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)都可能使用普適計算。現(xiàn)在，IBM的科學(xué)家們正在為著這一目標努力。

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