嵌入式移動通信技術的研究與發(fā)展
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Internet與網絡的迅速普及應用, 并向家庭領域不斷擴展, 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。
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用計算機系統。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、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單片機或微控制器(MCU) 組成。相關支撐硬件包括顯示卡、存儲介質、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) 是一種實時的、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的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、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時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應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機頂盒, 核心技術就是采用 32 位以上芯片級的嵌入式技術。在個人領域中, 嵌入式產品將主要是個人商用, 作為個人移動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。手寫文字輸入、語音撥號上網、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將發(fā)揮巨大的作用。自動控制領域, 不僅可以用于 ATM 機, 自動售貨機, 工業(yè)控制等專用設備, 和移動通訊設備結合、GPS、娛樂相結合, 嵌入式系統同樣可以發(fā)揮巨大的作用。長虹推出的 ADSL產品, 結合網絡, 控制, 信息, 這種智能化, 網絡化將是家電發(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, 還有用于學習和研發(fā)的各種配套開發(fā)包。目前低層系統和硬件平臺經過若干年的研究, 已經相對比較成熟, 實現各種功能的芯片應有盡有。而且巨大的市場需求給我們提供了學習研發(fā)的資金和技術力量。
我國自主開發(fā)的嵌入式系統軟件產品如科銀(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( 雖然還不夠完善) 。同時由于是研究熱點, 所以我們可以在網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 未來嵌入式系統的發(fā)展趨勢
信息時代, 數字時代使得嵌入式產品獲得了巨大的發(fā)展契機, 為嵌入式市場展現了美好的前景, 同時也對嵌入式生產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的幾大發(fā)展趨勢:
2.1 嵌入式開發(fā)是一項系統工程, 因此要求嵌入式系統廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統本身, 同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。
目前很多廠商已經充分考慮到這一點, 在主推系統的同時,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。當然, 這也是市場競爭的結果。
2.2 網絡化、信息化的要求隨著因特網技術的成熟、帶寬日益提高, 使得以往單一功能的設備如電話、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商在芯片上集成更多的功能, 為了滿足應用功能的升級, 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(SOC) 的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開發(fā)工具技術來控制功能復雜性, 簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發(fā)周期。
2.3 網絡互聯成為必然趨勢
未來的嵌入式設備為了適應網絡發(fā)展的要求, 必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。傳統的單片機對于網絡支持不足, 而新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口, 除了支持 TCP/IP協議, 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的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統系統內核支持網絡模塊, 甚至可以在設備上嵌入 Web 瀏覽器, 真正實現隨時隨地用各種設備上網。
2.4 精簡系統內核、算法, 降低功耗和軟硬件成本
未來的嵌入式產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系統內核, 只保留和系統功能緊密相關的軟硬件, 利用最低的資源實現最適當的功能, 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, 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計者要在圖形界面, 多媒體技術上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網、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漢字寫入、短消息語音發(fā)布, 但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。
3 嵌入式系統設計的過程
3.1 嵌入式系統設計的過程
按照常規(guī)的工程設計方法, 嵌入式系統的設計可以分成 3 個階段: 分析, 設計和實現。分析階段是確定要解決的問題及需要完成的目標, 也常常被稱為需求階段; 設計階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求; 實現階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件基礎上進行整個軟、硬件系統的協調實現。在分析階段結束后, 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階段任務的完成。
通常, 硬件和軟件的選擇包括處理器、硬件部件、操作系統、編程語言、軟件開發(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, 操作系統和編程語言也是非常關鍵的。處理器的選擇常常會限制操作系統的選擇,操作系統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
嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。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, 需要考慮的是生產規(guī)模。如果生產規(guī)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, 最好從第三方購買主板和 I/O 板卡。
其次, 需要考慮開發(fā)的市場目標, 如果想使產品盡快發(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、下載到目標板和調試等幾個步驟, 因此軟件平臺的選擇也涉及操作系統、編程語言和集成開發(fā)環(huán)境 3 個方面。
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, 會影響操作系統的選擇。低端無存儲器管理單元的 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 編程語言的選擇
在嵌入式系統開發(fā)的過程中使用的語言種類很多。比較廣泛應用的高級語言有 ADA, C/C++, JAVA 和 C# 等。ADA 語言定義嚴格。易讀易懂, 有較豐富的庫程序支持。目前在國防, 航空, 航天等相關領域應用比較廣泛, 未來仍將在這些領域占有重要地位。C語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言, 在將來很長一段時間內仍將在嵌入式系統應用領域占重要地位。
C++是一種面向對象的編程語言, 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, 使得它在很多領域備受歡迎。隨著網絡技術和嵌入式技術的不斷發(fā)展,J2EE 及嵌入式 JAVA 的應用也將越來越廣泛, 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)務是設計 16 位和 32 位的嵌入式處理器。但它本身并不生產和銷售芯片, 而是采用技術授權的方式, 由合作公司生產各具特色的芯片。世界各大半導體生產商從 ARM公司購買其設計的 ARM微處理器核, 根據各自不同的應用領域, 加入適當的外圍電路, 從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。因此, ARM技術獲得了更多的第三方工具, 制造和軟件的支持, 又使整個系統成本降低, 使產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技術知識產權的微處理器, 即我們通常所說的 ARM微處理器, 已遍及工業(yè)控制, 消費類電子產品, 通信系統,網絡系統, 無限系統等各類產品市場, 基于 ARM技術微處理器的應用約占據了 32 位 RISC 微處理器 75 以上的市場份額。
4 移動通信技術
傳統的 GSM網絡僅能 9.6Kbit/s 速率的數據傳輸業(yè)務, 這遠遠不能滿足用戶對高速無線數據業(yè)務的需求。GPRS(GeneralPacket Radio Service, 通用分組無線業(yè)務) 是構架在傳統 GSM 網絡之上的一種標準化的分組交換數據業(yè)務, 它可以提供高達115kbit/s 速率的分組數據業(yè)務, 從而使得包括圖片、話音和視頻的多媒體業(yè)務在無線網絡中的傳輸成為現實。GPRS 采用分組交換技術、在通信的過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, 并且呼叫建立時間很短。GPRS 不再根據用戶實際的數據流量來計費, 這樣就允許用戶始終在線, 享受方便快捷的服務。因此, GPRS 被認為是第二代移動通信系統向第三代移動通信演進的重要一步。
GPRS 之所以備受關注, 一方面是因為其極高的傳輸速率和分組技術, 另一方面則是因為它對 IP 和 X.25 協議的完全透明支持, 這是人們最熟悉、也是應用最為廣泛的兩種傳輸協議。通過GPRS, 人們可以在移動通信網絡( 尤其在 GSM 網絡) 上實現對 IP和 X.25 網絡的訪問和應用。正是由于這兩種協議的應用, 移動臺和終端設備( 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絡, 如圖(GPRS 硬件平臺) 所示。
GPRS 支持 IP 和 X.25 等標準網絡協議, 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 內置的 TCP/IP 協議連接到 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 協議實現微瀏覽的蜂窩電話;集成了 GPRS 的專用設備;GPRS 網絡系統。
4.2 數據包的發(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, 但與電路交換式數據呼叫不同, PRS 分組是從基站發(fā)送到服務 GPRS 支持節(jié)點(SGSN) , 而不是通過移動交換中心(MSC) 連接到語音網絡上。SGSN 與網關 GPRS 支持節(jié)點(GGSN) 進行通信; GGSN 對分組數據進行相應的處理, 再發(fā)送到目的網絡, 如 Internet 或 X.25 網絡, 見圖(GSN 系統中的 GPRS 網絡結構) 所示:來自 Internet、標識有移動臺地址的 IP 包, 由 GGSN 接收, 再轉發(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, 它在移動通信網絡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 PC, 用戶無需再撥號到 ISP。GPRS 技術的發(fā)展進一步提高了信道利用率, 提供更 大的帶寬, 從而降低移動數據通信的費用。GPRS 對移動數據應用產生了深遠的影響, 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 實現的其他數據業(yè)務 ( 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絡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角落, 中國嵌入式設備的潛在消費者數量將以億為單位。如果說 PC 機的發(fā)展帶動了整個桌面軟件的發(fā)展, 那么嵌入式產品的廣泛普及其在移動通信領域的應用必將為嵌入式系統軟件產業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無窮的推動力。
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