摘要： 嵌入式系統(tǒng)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(chuàng)新的新型集成知識系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)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(chuàng)新的新型集成知識系統(tǒng)。

文中介紹了嵌入式系統(tǒng)的特點及發(fā)展，提出了在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中應遵循的原則，并介紹了嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設備中的應用。

嵌入式系統(tǒng)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(shù)據(jù)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?lián)Q代產品，反映當代最新技術的先進水平。嵌入式系統(tǒng)是當今非常熱門的研究領域，在PC市場已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統(tǒng)市場的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展。根據(jù)美國嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)產品潛在的市場將超過1萬億美元。隨著技術的發(fā)展，業(yè)內對嵌入式系統(tǒng)的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規(guī)模集成電路、軟件技術和各種具體的行業(yè)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(tǒng)80%的工作量。嵌入式系統(tǒng)不同于一般PC 機上的應用系統(tǒng)，即使是針對不同的具體應用而設計的嵌入式系統(tǒng)之間的差別也很大。嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術。

嵌入式系統(tǒng)歷史及發(fā)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(tǒng)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(tǒng)”(Stored Program Control)。

嵌入式計算機的真正發(fā)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(xù)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(tǒng)廣泛地應用于儀器儀表、醫(yī)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(jù)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(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設備中。

為靈活兼容考慮，出現(xiàn)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(tǒng)。用戶和開發(fā)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(tǒng)，因此希望插件相互兼容，從而導致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)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(tǒng)。

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(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產品則進一步提升了嵌入式計算機系統(tǒng)的技術水平，并迅速滲入到消費電子、醫(yī)療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸?shù)雀鱾€領域。

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步加速發(fā)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(fā)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(fā)展。在應用方面，發(fā)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(xiàn)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(wǎng)絡的時代，將嵌入式系統(tǒng)應用到各類網(wǎng)絡中也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。嵌入式系統(tǒng)在各個領域應用的發(fā)展?jié)摿薮螅湓卺t(yī)療儀器領域的應用也越來越廣泛。

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的定義及分類

嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序等部分組成(見圖1)，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)的運作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式系統(tǒng)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(yī)療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應用。

嵌入式系統(tǒng)的特點

嵌入式系統(tǒng)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(zhí)行時間減少到最低限度;

(2)具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)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(fā)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(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

嵌入式系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有六大重要特征：

(1)專用性強：嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中，它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移動能力大大增強，與網(wǎng)絡的耦合也越來越緊密;

(2)知識集成度高：嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng);

(3)系統(tǒng)內核?。呵度胧较到y(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，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，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力;

(4)系統(tǒng)精簡：嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分。它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，便具有較長的生命周期;

(5)高實時性和可靠性：為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中;

(6)系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，設計完成以后用戶通常不能直接對其中的程序功能進行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應用

醫(yī)療儀器設備的最新發(fā)展趨勢

進入2008年，越來越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療儀器設備領域。近期，德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領域加大投入。而我國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也將在2008年繼續(xù)其備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級別的投入將增加全社會對醫(yī)療儀器設備的需求。隨著生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關注也提升到一個前所未有的高度。今天，越來越多的高科技手段開始運用到醫(yī)療儀器的設計中。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測設備，各類型的監(jiān)護儀器、超聲波、X射線成影設備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開始在各地醫(yī)院廣泛使用。遠程醫(yī)療、HIS、病人呼叫中心、數(shù)字化醫(yī)院等先進理念的出現(xiàn)和應用，使醫(yī)院的管理比以往任何時候都更加完善和高效，同時病人享受到更加快捷方便和人性化的服務。

在技術領域，醫(yī)療儀器設備則開始呈現(xiàn)向便攜性和網(wǎng)絡化發(fā)展的趨勢。可以隨身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機、心電監(jiān)護儀必然會有越來越大的市場需求。而網(wǎng)絡化的進一步普及也正在進入醫(yī)療儀器設備領域，通過有線或無線技術，醫(yī)生可以遠程訪問病人的資料;數(shù)字化網(wǎng)絡化的醫(yī)療檢測設備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫(yī)院的各個科室甚至是遠隔千里的不同醫(yī)院之間，從而節(jié)省了就醫(yī)者的時間和重復檢測的費用;而網(wǎng)絡化的醫(yī)療儀器設備和系統(tǒng)也使遠程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實，身在某些不發(fā)達地區(qū)的重癥患者有可能通過遠程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。在我國，由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問題。醫(yī)療儀器設備網(wǎng)絡化所帶來的這些益處對解決該問題也有著非?，F(xiàn)實的意義。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設備中的應用

由于醫(yī)療儀器設備固有的自身特點和以上提到的最新發(fā)展趨勢的要求，用于醫(yī)療儀器設備的技術和系統(tǒng)也應該與這些特點和要求相適應。嵌入式系統(tǒng)應用于醫(yī)療儀器設備，符合發(fā)展趨勢帶來的要求和變化。

醫(yī)療儀器領域大量醫(yī)療儀器的應用，如心臟起搏器、放射設備及分析監(jiān)護設備，都需要嵌入式系統(tǒng)的支持。各種化驗設備，如肌動電流描記器、離散光度化學分析、分光光度計等，都需要使用高性能的、專用化的DSP系統(tǒng)來提高其精度和速度。引入嵌入式系統(tǒng)后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。

一般來說，醫(yī)療系統(tǒng)都非常龐大，但我們看到的一個趨勢是便攜式、低成本產品漸漸流行。便攜醫(yī)療產品可分為兩種：一種是手持產品，如用于患者監(jiān)控的產品，像測量脈搏、血壓等的產品，醫(yī)生可以隨身攜帶;另一種則不一定能夠隨身攜帶，但它們是低成本、簡單的設備，一般用于設備較簡單的醫(yī)院。針對便攜化的趨勢，要求醫(yī)療電子設備必須具備體積小、功耗低、價格低和易于使用的特點。

在醫(yī)療儀器的設計方面，有三個設計策略非常重要：一是采用模塊化設計方法，采用這種方法可以在基本的平臺上設計出不同型號的產品;二是背板設計方法，每個大系統(tǒng)一般都會有背板，上面可以插很多不同的板，它可以使系統(tǒng)的速度很快;三是便攜產品。由于嵌入式系統(tǒng)具有的特點，上述醫(yī)療儀器設計策略都可以采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。

在醫(yī)療儀器應用中，嵌入式系統(tǒng)的普及率非常高。在設計過程中，根據(jù)需要對嵌入式系統(tǒng)重新編程，可避免前端流片(NRE)成本，減少和ASIC相關的訂量，降低芯片多次試制的巨大風險。此外，隨著標準的發(fā)展或者當需求出現(xiàn)變化時，還可以在現(xiàn)場更新。而且，設計人員能夠反復使用公共硬件平臺，在一個基本設計基礎上，建立不同的系統(tǒng)，支持各種功能，從而大大降低了生成成本。使產品具有較長的生命周期，可以保護醫(yī)療儀器不會太快過時，醫(yī)療行業(yè)的產品生命周期比較長，因此這一特性非常重要?，F(xiàn)代數(shù)字醫(yī)療儀器設備不但包括診療設備，而且還有數(shù)據(jù)存儲服務器和接口軟件。嵌入式系統(tǒng)可為醫(yī)療儀器設備設計、生產和使用提供先進的技術支持。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器領域的應用前景

隨著信息技術的發(fā)展，數(shù)字化產品空前繁榮。嵌入式軟件已經成為數(shù)字化產品設計創(chuàng)新和軟件增值的關鍵因素，是未來市場競爭力的重要體現(xiàn)。從醫(yī)療儀器領域來看，除了新的傳感檢測技術不斷運用推廣之外，對所采集信息的分析、存儲和顯示也提出了更高的目標。這就要求現(xiàn)代的醫(yī)療儀器具備更強大的計算和存儲能力以及更穩(wěn)定可靠的性能。另外，醫(yī)療儀器作為一個特殊的行業(yè)，又要求設備能夠達到更高級別的環(huán)保要求。如何進一步地智能化、專業(yè)化、小型化，同時做到低功耗、零污染，將會是一個無止境的追求過程，這為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應用提供了更廣闊的天地和更高的要求。

我國目前有19.2萬家醫(yī)療衛(wèi)生機構，擁有的醫(yī)療儀器設備中有15%是上世紀70年代前后的產品，需要更新?lián)Q代，這將會推動未來幾年甚至更長一段時間我國醫(yī)療儀器設備需求增長。2007是醫(yī)療體制改革啟動之年，政府加大了公共衛(wèi)生基礎設施的投入，給醫(yī)療儀器帶來較大的發(fā)展空間。根據(jù)“十一五”規(guī)劃，2007年“新農村合作醫(yī)療”試點覆蓋面將逐步擴大，2008年在全國基本推行，2010年實現(xiàn)基本覆蓋農村居民的目標，這對于我國醫(yī)療儀器將是重大利好。同時，中國醫(yī)療儀器產品結構的調整，對嵌入式系統(tǒng)應用于醫(yī)療儀器也提供了一個很好的發(fā)展機會，同時也對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)，開發(fā)出的產品除了應具有獨特的創(chuàng)新功能外,開發(fā)者還應遵循一定的原則。只有這樣，才能使嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應用事半功倍。