嵌入式软件重要技术简介

嵌入式软件重要技术简介 （台北讯） 2007-1-22
嵌入式系统软件正逐渐成为嵌入式系统的主要角色。根据Gartner对半导体设计市场现况的调查与分析，在2002年金字塔顶端的厂商必须掌握市场、设计、程序库、EDA工具、以及工艺，这是一个以芯片供应的时代；但到了2005年，金字塔顶端的厂商则必须增加软件的提供，因为现今市场主流已经走向提供完整的系统解决方案。也就是说使用嵌入式处理器之选择导向正逐渐转型，嵌入式软件的支持程度正逐渐成为控制嵌入式系统市场占有率的主要因素，因而改变以往固有的市场形态。
在嵌入式处理器的市场上，领先的公司不是Intel而是ARM，ARM这家公司首先专注在通讯市场的处理器，为了巩固市场，ARM提供了嵌入式软件及软件开发工具，并且专注于开发工具的支持，一直到公司稳固之后才开始扩展处理器架构以及购并Artisan补足硬件底层矽程序库的控制。这也说明了在嵌入式系统上，掌握住开发工具就掌握住市场，并且可以从中得利。
嵌入式处理器共享平台的发展乃是整合多种不同嵌入式处理器发展平台，其主要目的在使应用程序的开发者使用相似的开发环境发展不同的嵌入式处理器上的应用程序，并且利用共享平台上的整合资源，快速发展适用于该嵌入式处理器的应用程序。整合发展平台的趋势就目前看来，随着处理器延伸至多核心的架构设计，多核心的发展平台在国际上也已经备受重视。根据Gartner 2006年的报告显示，目前开发者所使用工具组的市场分布，以RTOS为最重要，同时，整合发展平台所占有的市场也渐渐受到重视，预估在2007年后，将有超过一亿八百万美元的产值。
目前的RTOS已逐渐将重心移至系统稳定性，如：存储器保护（memory protection）、安全防护（security protection）等机制。另外，System level design占有17%，在其中让人注意到的是ESL（Electronic System Level），主要着重于Virtual prototyping，可以提供早期系统评估的工具。整体tool chain比重含JTAG、Debugger、Compiler、IDE的约占27%，而开发软件的好坏会直接关系到嵌入式软件的市场推广。
多核心整合的处理器上，在数码信号处理器方面，全球主要厂商以TI为主。在Forward Concept 2006年的报告中，TI的市场占有率正逐年增加；至2006年已经接近60%。在嵌入式系统平台方面市场分布方面，有将近一半的WCDMA手持装置使用TI的数码信号处理器，并且利用OMAP架构为其系统基础。OMAP架构为双核心架构（ARM9及TI C5DSP）是目前嵌入式系统的发展主流（OMAP™ processors以67%的3G手机市场占有率高居第一）；Sandbridge SB3000 DSP具有4核心32个硬件执行序为软件无线电的领先架构；IBM Cell processor是8核心加上一个power PC处理器应用在高阶游戏机及资料处理上。
一般嵌入式系统软件与硬件的整合度很高，为了开发软件、提升系统效能、及控制周边，需要整合发展平台提供编译器工具、组译器、程序库、加载器、驱动程序、及模拟环境等。现在更先进的多核心处理器架构是属于高阶嵌入式系统的应用平台，其使用先进的技术来提升架构效能，但也增加程序的撰写难度，因此这些处理器背后，更需要有完整的整合发展平台。
根据Gartner报告，目前在整合开发平台的市场占有率最高的场商为Wind River，其占有市场为33%；其次是Windows CE的开发平台25%；接着为Mertowerks的开发平台。在2005年Nokia推出Nokia 770 Internet Tablet，其采用开放式的架构，让使用者可以自行开发应用软件，而其操作环境为maemo系统，包括：Linux、GTK+、MatchBox、Gnome及libraries。而他的开发系统是scratchbox，scratchbox提供了gcc跨平台编译的环境，程序库，以及模拟器，可以在x86机器上开发跨平台的软件。
操作系统在嵌入式软件的开发上占了重要的角色，操作系统的使用可以降低使用者开发时间，提供一个稳定而容易操控的发展环境。根据linuxdevices.com在2003～2006年，调查分析指出，发展嵌入式系统的厂商之中，有使用操作系统的，以使用Linux最多。这些厂商采用Linux的原因不外乎是低成本，及其可弹性扩充修改之优点。根据linuxdevices的观察分析指出，Linux在嵌入式操作系统的市占率在2010年将会达到60%。
这样的预测表示越来越高的接受率，而采用Linux也意味着open source的应用程序以及开发工具组将会随着Linux的更加普及而更趋普及。Gartner的调查报告更指出，嵌入式系统该发厂商在操作系统的使用上有50% 以上的厂商因为种种需求而采用了采用了即时操作系统。同时也有越来越多的厂商在操作系统的即时性（real-time）上面有更多的要求以及更多的需求。
电子系统层级（Electronic System Level；ESL）开发工具方面:嵌入式系统在开发过程中，软硬件的搭配相当紧密，因应如此的趋势，电子系统层级ESL（Electronic System Level）开发工具提供了快速平台的建立工具，利用自行研发或是其它厂商提供的IP组合成硬件环境，软件能够在虚拟平台上同步开发。Gartner Dataquest于2005年预估，ESL整体产业于2009年的产值将比2005年成长近一倍。ESL范围相当广泛，但是能够在高阶搭配嵌入式软硬件的开发，要靠的是virtual platform的技术。目前布局的国外厂商有：Accenia、VasT、Virtutech、Celoxica、CoWare等。国内产业于ESL发展者，除了少数公司有开发IP整合环境，如：晶心科技，其余多为提供硬件IP，或是仅具有封闭的模拟系统。在此领域上的open-source软件包括GNU SID 及 QEMU等系统。
在嵌入式系统middleware方面，目前有多项国际标准。OSGi起源于1999 年三月，由一些家用闸道器相关产业厂商所组合而成的组织，目前约有80余家厂商加入。包括了IBM、Sun、BMW、Motorola、Nortel、Nokia、 Philips、Panasonic、Sony、Toshiba、Echelon 等。制定OSGi 标准的最主要的目的，是要为远端的服务提供者（Service Provider）与本地端的设备（Device）之间提供完整的点对点服务传送解决方案。因此，OSGi定义了一个开放性的平台，使得远端软件服务供应商所提供的应用程序及加值服务，能视使用者需求，随时下载至靠近用户的闸道器（Gateway）上，并且自动安装执行，而这里所指的闸道器通常是连接家庭网络（Home Network）、办公室网络（Office Network）与机上盒（Set-top Box）、ADSL调制解调器、缆线调制解调器（Cable Modem）、住宅区闸道器（Residential Gateway）等。
通过这个开放性的平台，不同厂商所开发出的服务软件及设备都能互相沟通及搭配使用。DLNA 是由Intel、Microsoft、IBM、HP、Nokia、Motorola、TI、PHILIPS、SONY、Fujitsu、SAMSUNG、Toshiba、 NEC、Panasonic等跨国性世界级资、通、消费性电子业者所共同推动，创立于2003 年，其前身名为数字家庭工作组（DHWG）。其成员拥有共同的远景目标，即在家庭内外建立一个集中管理个人电脑（PC）、家电（CE）和移动电子设备的互操作性网络，创造一个能够共享和发展全新数字媒体和内容服务的无缝环境。
Open SOA(OSOA)计划的主要目的是要提供一免专利授权的SOA标准给工业界使用，此计划由几个企业所联手推动如BEA、IBM、ORACLE、RedHat等等。目前主要分为两个计划SCA（Service Component Architecture）与SDO（Service Data Objects）的推动。SCA：Service Component Architecture是用来描述使用SOA架构的模块如何用来建立应用程序的标准，SCA延伸并兼容于先前的用来实作服务的方法，其中SCA建立于公开的标准上如web services。其中强调在组件与现有平台与组件之间的结合，描述如何通过现有的技术、平台甚至现有的组件来实作SOA组件。SDO：Service Data Objects是用设计用来简化并标准化应用程序如何掌控操作资料的标准，开发者可以使用统一的操作格式来对于不同的资料来源存取操作资料，包含资料库、XML资料库、Web service和企业信息系统。
目前，国内也有厂商在进行处理器或数码信号处理器的开发，如果能各自加上完善的嵌入式软件支持，那就是以ARM的发展模式前进；如果，国内厂商彼此能够整合成多核心架构，那就是沿着TI的路线行走。但要是能够将多核心上面的应用开发由多套系统开发工具，转由一套完善的多核心系统工具进行整合开发。这样就是走自己的路，一条有机会简化多核心应用开发，提升产品市占的路。（本文作者为芯片系统国家型科技计划嵌入式软件技术发展专案推动召集人／李政崑）