嵌入式系統及其在醫療儀器設備中的應用

嵌入式系統是先進的計算機技術、半導體技術、電子技術以及各種具體應用相結合的產物，是技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的新型集成知識系統。

文中介紹了嵌入式系統的特點及發展，提出了在嵌入式系統開發過程中應遵循的原則，并介紹了嵌入式系統在醫療儀器設備中的應用。

嵌入式系統是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術，甚至傳感器等先進技術和具體應用對象相結合后的更新換代產品，反映當代最新技術的先進水平。嵌入式系統是當今非常熱門的研究領域，在PC市場已趨于穩定的今天，嵌入式系統市場的發展速度卻正在加快。由于嵌入式系統所依托的軟硬件技術得到了快速發展，因此嵌入式系統自身獲得了快速發展。根據美國嵌入式系統專業雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統市場需求量具有比PC市場大10～100倍的商機。

有機構估計，全世界嵌入式系統產品潛在的市場將超過1萬億美元。隨著技術的發展，業內對嵌入式系統的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規模集成電路、軟件技術和各種具體的行業應用技術相結合的結果，其中各種軟件技術占了嵌入式系統80%的工作量。嵌入式系統不同于一般PC 機上的應用系統，即使是針對不同的具體應用而設計的嵌入式系統之間的差別也很大。嵌入式系統一般功能單一、簡單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多。可以說，嵌入式系統是不可壟斷、需要不斷創新的技術。

嵌入式系統歷史及發展趨勢

事實上，在很早以前，嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面，嵌入式系統在20世紀60年代就用于對電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統”（Stored Program Control）。
　　
嵌入式計算機的真正發展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術運算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構成的系統廣泛地應用于儀器儀表、醫療設備、機器人、家用電器等領域。微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產品，再由用戶根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板，從而構成專用的嵌入式計算機系統，并將其嵌入到自己的系統設備中。
　　
為靈活兼容考慮，出現了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設計一臺專用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專用計算機系統。用戶和開發者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產品，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統，因此希望插件相互兼容，從而導致了工業控制微機系統總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡單STD總線廣泛應用于小型嵌入式系統。

20世紀80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，即俗稱的單片機，成為嵌入式計算機系統異軍突起的一支新秀。其后發展的DSP產品則進一步提升了嵌入式計算機系統的技術水平，并迅速滲入到消費電子、醫療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸等各個領域。
　　
20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進一步加速發展。面向實時信號處理算法的DSP產品向著高速、高精度、低功耗發展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導著微控制器向32位高速智能化發展。在應用方面，發展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國市場上掌上電腦不過四五個品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現出來。此外，Nokia推出了智能電話，西門子推出了機頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。21世紀無疑是一個網絡的時代，將嵌入式系統應用到各類網絡中也必然是嵌入式系統發展的重要方向。嵌入式系統在各個領域應用的發展潛力巨大，其在醫療儀器領域的應用也越來越廣泛。

嵌入式系統

嵌入式系統的定義及分類

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用程序等部分組成（見圖１），用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件(OS)和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。
嵌入式系統通常可按圖２分類。嵌入式產品已經在航空航天、交通、電子、醫療儀器、通信、工控、金融、家電等行業得到廣泛應用。

嵌入式系統的特點

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點：

(1)對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度；

(2)具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷；

(3)可擴展的處理器結構，以便最迅速地開發出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器；

(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。