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1第一章嵌入式系統介紹2本章學習重點嵌入式系統的基本概念與發展歷史嵌入式運算與挑戰分散式嵌入式系統資訊家電的介紹3嵌入式系統概說英國電機工程師協會定義：嵌入式系統為控制、監視或輔助某個設備、機器或甚至工廠運作的裝置–用來執行特

定功能–以微電腦與周邊構成核心–需要嚴格的時序與穩定度–全自動操作循環設計的目的，在於滿足某種特殊功能，常用在各類實驗儀器、辦公設備、交通運輸設備、電信設備、製造設備、建築設備、醫療設備、航太設備、及個人電腦等設備之上。4各種嵌入式

系統裝置Hy-wire未來汽車NASA火星漫遊者Roomba機器人真空吸塵器狗語翻譯機5嵌入式系統的發展歷史嵌入式系統的興起是在1971年，由Intel公司推出有史以來第一顆四位元微處理器4004

8086微處理器是第一個被大家所重視及熟悉的16位元微處理器國家半導體公司所推出的32000系列是第一個32位元的商用微處理器第一顆四位元微處理器Intel40046微處理器分類微處理器內部僅包含單純的中央處理器單元，稱為一

般用途型微處理器將中央處理器、ROM、RAM及I/O等等裝置做到同一顆晶片上，這種微處理器稱為單晶片控制器（SingleChipMicrocontroller）目前最廣受市場歡迎的嵌入式處理器就是由ARM公司出品的ARM系列處理器數位訊號處理器（Digit

alSignalProcessor，DSP），最著名的是美國德州儀器公司CX家族系列7SonyEricsson的P800SmartPhone高度整合的嵌入式系統8嵌入式系統的組成包含了中央處理器、記憶體、輸出裝置、輸入裝置–電腦的標準輸入裝置為鍵

盤，但是微波爐的標準輸入裝置可能就是觸控面板以平台化設計（platform-baseddesign，PBD）適應多種不同硬體與軟體的組合–硬體與軟體參考設計（referencedesign）平台–「板級支援包」（

BoardSupportPackage，BSP）9典型的參考平台資料來源：資策會MIC10嵌入式系統的應用與組成11嵌入式系統應用發展趨勢系統：嵌入式作業系統（RTOS）–VxWORKs、Nucle

us、Palm、WindowsCE、Linux整合式晶片：SoC–ARM、MIPS、Rambus、Mentor、Synopsys、Insilicon、DSPGroup、VirageLogic、Artisa

n以及Parthus應用軟體–使用者端的應用軟體及伺服器端的整合軟體服務–日本NTTDoCoMo所發展的iMode服務12嵌入式作業系統提供廠商資料來源：資策會MIC13台灣SoCSIP產業的主要廠商

規格制訂RTL執行與發展模擬合成功能驗證LVS驗證佈局與繞線平面配置系統設計前段設計後段設計晶圓製造設計服務台積電、聯電、巨有、智原、源捷、擎亞、創意、科雅、勇領、世紀創新、亮發、宏太…等SoftIPFirmIPHardIP台積電、聯電、巨有、智原、源捷、

創意、世紀創新、亮發…等資料來源：資策會MIC，2001年12月SoC(SystemonaChip)SIP(SiliconIntelligentProperty)14前五大嵌入式作業系統廠商資料來源：資策會MIC，2003年10月15嵌入式運算將電腦嵌入到某一種應用裡進行運算–MIT的第一台支援

即時操作的旋風（Whirlwind）–第一台手持式計算機HP-35–汽車設計採用單晶片CPU控制引擎，決定何時火星塞點火、控制油氣混合等等功能Hewlett-Packard公司所推出的第一台電子計算機HP-3516範例1-1汽車裡的嵌入式系統防鎖死煞

車系統（antilockbrakesystem，ABS）是用來減少煞車打滑的問題自動化穩定控制系統ASC+T調節汽車的穩定度透過這系統相互搭配，使得煞車的穩定度提昇不少17使用嵌入式系統的因素設計者必須依據不同領域來決定要使用那一種微處理機，設計出硬體平台、周

邊I/O裝置，以滿足功能所需，並且要實作出軟體，讓該平台可以處理需要的運算。–可以利用微處理器的精密運算能力，解決許多利用機械方式無法達到的控制與操作–同時能夠縮小體積與提升處理效率18嵌入式系統的設計考量量身定做，也就是客制化（C

ustomize）–每一項嵌入式產品都有其特殊性，造成移植（porting）到不同機器上的困難度嵌入式系統的開發門檻–複雜的演算法–使用者介面–即時（real-time）功能–多重速度匹配–製造成本–省電19嵌入式系統

的設計挑戰將不同領域的知識在有限的預算與時間內整合出穩定且高品質的產品，才是這個領域主要的困難–應該使用多少硬體–系統的期限是多少–最小化電力的需求–升級考量–是否真的可以用–完整測試–難以觀察與控制–嚴苛的發展環境20嵌入式系統

設計能力硬體的晶片設計、電路與周邊設計，到軟體、韌體（firmware）系統整合，以及各式各樣的應用程式與服務提供，都是整個嵌入式系統領域包含的範疇一個軟體工程師應該具備的能力–系統整合能力–語言能力–掌握市場應用導向21分散式嵌入式系統一個簡

單的分散式嵌入式系統ProcessorElement22範例1-2汽車裡的分散式嵌入式系統23具有網路能力的嵌入式系統通訊分析，先決定訊息延遲（messagedelay）所造成的影響其中tx表示傳輸端負載時間，tn表示網路傳輸時間，tr

表示接收端負載時間rnxmtttt24範例1-3訊息延遲時間計算假設某個匯流排傳輸速率每秒100Kbits，如果我們要傳送1byte的話，也就是8bits，所需要花費的網路傳輸時間為：假設傳輸端與接收端的驅動程式，其傳送與接收的網路介面呼叫需要耗費2

0個指令來執行，在8MHz的微處理器所花費的時間為：則總共的訊息延遲時間為：5108ntsec66105.210125.020rxttsec5656105.8105.2108105.2mtsec2

5多層網路通訊(Multi-hopNetwork)26系統效率分析需要分析整個系統的效率，並且給予適當的調整，好讓系統符合效率的最低要求。有時候必須引進負載平衡（loadbalancing）多重工作進行分散式嵌入式系統可能造成工作衝突27網際網路能力的嵌入式系統稱

為Internet-enabledembeddedsystem或是稱為Internetappliances–不能提供即時功能給分散式嵌入式系統，但是仍然可以做一些不需要即時性互動的功能–網際網路提供標準的通訊方式，讓每一個具有網路位址（IPaddress）的系統，可以彼此溝通–因為嵌

入式系統一般的記憶體空間與儲存空間不是很多，但是網際網路協定運作需要比較大的記憶體空間，所以必須取捨一些不需要的網際網路服務，以縮小所佔用的空間–個人數位助理（PDA）、雷射印表機或是傳真機28資訊家電InformationAppliance，IA

：能與網際網路互動，專為特定功能而設計，並且易於使用的產品–一種專門應用於資訊方面的家電，應用範圍包含知識、新聞、圖形、影像、影片及聲音，具有特定的功能，最重要的是這些資訊家電彼此之間可以交換資訊。–主要的特色是具功能性、品質穩定、可靠性及易於使用

性，方便、容易使用可說是IA的精神，這樣才能符合真正的需要。29各種型態的IA產品外觀資料來源：資策會MICITIS計畫整理，1999年12月30資訊家電的興起網際網路普及半導體設計及製程技術的改善–PredicatedbyMoore’sLaw3C（

Computer、Communication、ConsumerElectronics）技術的快速整合使用者的需求資訊服務應用生活化31行動數位娛樂裝置的銷售成長資料來源：IDC,Jun,200332資訊家電系統的產品個人型/行動型（personal/mobile）資訊

家電產品–電子書、可攜式全球定位系統裝置（Portableglobalpositioningdevices）、可上網行動電話、個人數位助理（PDA）配合無線傳輸功能及穿戴式電腦（Wearablecomputers）家庭式

/娛樂式/視聽式（Home/Entertainment或Audio/Video）產品–網路電視配合視訊轉換器（WebTVandSet-TopBox）企業型/網路型（Enterprise/Networking）產品–嵌入式伺服器（embeddedserver）及精簡型終端設備（thincl

ient）33IA產業之各種產品關聯NCNetPCInternetCommerceEquipInternetTrafficEquipWBT(WindowsBasedTerminal)LeanClientInternetTVNetTV(WebTV)InternetSTBGameC

onsoleScreenPhoneA/VoverIPHPC/PalmTopMiniNotebookE-BookPDASmartPhoneSuperPhoneInformationAppliancesInfo

rmationAppliances企業用戶企業用戶((網路運算環境網路運算環境))家庭用戶家庭用戶((娛樂多媒體中心娛樂多媒體中心))個人用戶個人用戶((個人行動資訊站個人行動資訊站))資料來源：工研院經資中心經濟部IT

IS計畫，2000、資料整理：MIC34資訊家電的功能資訊擷取–資訊家電藉由連網能力，可以與其他的資訊服務提供者或是其他的家電系統互相溝通娛樂功能–遊戲機與MP3撥放機等影音設備，佔了資訊家電極大的市場，這證明了未來娛樂設備

的發展，會越來越形重要溝通人際–方便的與他人取得聯繫與溝通35未來嵌入式產業之技術需求AnyTimeAnyMediumAnyWhereAnyContentConsumerElectronics-LowCost-LowPower-

造型外觀設計能力Communications-寬頻-無線Computer-運算技術-量產能力SoCRTOSInformationAccess用戶需求技術需求36總結嵌入式系統的起源與相關歷史由於電腦技術的快速發展，原本計算領域從超級大電腦逐漸衍生到嵌入式運

算，也從通用領域變成變化萬千的專用領域未來這幾年最大的進展，將是個人電腦的形式會延伸到各種大小的智慧型設備中