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嵌入式系統(tǒng)與普適計算
摘要:研究嵌入式系統(tǒng)與普適計算的概念、用途及其相關技術,使讀者對普適計算這個新名詞有一個全面的認識。關鍵詞:嵌入式系統(tǒng) 普適計算 手持設備 Windows CE 嵌入式設備
引 言
隨著計算技術的發(fā)展,我們已經由PC時代進入網絡時代,進而進入后PC時代。IBM在1999年創(chuàng)造了一個名詞--“普適計算” (又叫“普及計算”,Pervasive Computing)。“普適計算”指的就是,“無論何時何地,只要您需要,就可以通過某種設備訪問到所需的信息”。從計算技術的角度來看,人類已經由網絡計算逐步延伸到了普適計算。
通俗來講,普適計算的含義十分廣泛,所涉及的技術包括移動通信技術、小型計算設備制造技術、小型計算設備上的操作系統(tǒng)技術及軟件技術等。普適計算是指無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式;主要針對移動設備,比如信息家電或某種嵌入式設備,如掌上電腦、BP機、車載智能設備、筆記本計算機、手表、智能卡、智能手機(具有掌上電腦的一部分功能)、機頂盒、POS銷售機、屏幕電話(除了普通話機的功能還可以瀏覽因特網)等新一代智能設備。普適計算設備可以一直或間斷地連接著網絡。與Internet、Intranet及Extranet連接,使用戶能夠隨時隨地獲取相關的各種信息,并做出回應。由于普適計算設備的高度移動性,所以也被稱為移動計算。普適計算提供了經由網絡,使用各種各樣的普適計算設備,訪問后臺數(shù)據(jù)、應用和服務的功能。無論使用何種普適計算設備,用戶將能輕易訪問信息,得到服務。普適計算降低了設備使用的復雜性,幫助提高在外辦公人員的效率和人們的日常生活水平。
從軟件系統(tǒng)的角度來講,普適計算是指使用小型計算設備、在位置不斷移動的過程中或在地理位置分布很廣的范圍內,在不穩(wěn)定的通信條件下實現(xiàn)聯(lián)機事務處理和企業(yè)核心數(shù)據(jù)訪問。這些小型計算設備,具有多種通信手段,如移動通信網絡、衛(wèi)星等,能與互聯(lián)網或企業(yè)內部網相連,但這種連接不是固定的連接,而是間斷的連接。普適計算的軟件技術使用戶可以使用這些設備進行復雜的聯(lián)機事務處理和信息訪問,因為用戶所使用的設備體積小,可用的計算資源(內存、存儲設備和CPU)都相當有限,大部分處理工作由計算中心的數(shù)據(jù)服務器和應用服務器完成。
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;信息時代的來臨,使嵌入式系統(tǒng)日益受到市場和廠家的關注,嵌入式設備越來越普及,這也促進了普適計算的發(fā)展。
1 嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計算機為技術核心,面向用戶、面向產品、面向應用,軟硬件可裁減的,適用于對功能、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(tǒng)。和通用計算機不同,嵌入式系統(tǒng)是針對具體應用的專用系統(tǒng),目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用;它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。
嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應用程序等四部分組成,是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”;用于實現(xiàn)對其它設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
嵌入式系統(tǒng)應具有的特點是:要求高可靠性;在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下,要求系統(tǒng)仍然能夠正常工作;許多嵌入式應用要求實時處理能力,這就要求嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)具有實時處理能力;嵌入式系統(tǒng)中的軟件代碼要求高質量、高可靠性,一般都固化在只讀存儲器中或閃存中,也就是說軟件要求固態(tài)化存儲,而不是存儲在磁盤等載體中。
2 普適計算和無線互聯(lián)及網絡計算的關系
IBM提出“普適計算”概念時,是為了用來描述個人計算機不再處于創(chuàng)新核心的時代,有意地不將其稱之為無線時代。因為IBM看到計算、通信、存儲和處理的功能從傳統(tǒng)的計算機轉移到各種各樣的設備上。今天,我們還僅僅把普適計算與移動電話、PDA聯(lián)系了起來,但是計算正在以不同的形態(tài)和體驗出現(xiàn)--它正在不斷裝入氣泵、計量表、電器和衣物中。對于IBM這樣的公司而言,“普適計算”之所以重要,是因為它對基礎設施和前端設備的影響同樣重要。對企業(yè)的經營來說,“普適計算”將改變企業(yè)與其客戶、供應商和員工之間相互交流的方式。通過隨時隨地地接觸客戶和移動辦公來從電子商務投資中獲取更多的收益。更重要的是,普適計算對被信息包圍著的人類來說,可以降低設備使用的復雜程度,使我們的生活更輕松、有效率。
實際上普適計算是網絡計算的自然延伸,它使得不僅PC機而且其它小巧的智能設備也可以連接到網絡中,從而方便人們即時地獲得信息并采取行動。當這種運算模式普遍采用后,人們就可以以一種一致的方式,使用所喜歡的設備(主要是嵌入式系統(tǒng)設備),隨時隨地獲得信息。所謂“一致的方式”,強調的是關鍵信息、關鍵數(shù)據(jù)的一致,而它的表現(xiàn)形式可以是多樣化的,因用戶喜好、設備等因素而異。
3 普適計算與傳統(tǒng)運算模式的比較
普適計算與傳統(tǒng)運算模式有很大的不同,從而對提供服務的基礎設施提出了新的要求。傳統(tǒng)運算模式是兩層結構:針對某種設備設計某種系統(tǒng),以適合該種特定設備訪問和顯示。在設計時,必須針對那種特定設備的網絡協(xié)議和顯示性能進行設計。
普適計算模式在實現(xiàn)多種應用服務對多種智能設備的連接時存在很大的困難,這使得每增加一種設備都需要改寫那些應用服務,而每增加一種服務都需要改寫那些設備上的應用程序。這種限制是由于現(xiàn)有系統(tǒng)的層次結構所決定的。然而,我們很難預見未來還會出現(xiàn)什么新穎的,用戶樂于使用的智能設備;而且有的設備可以雙向通信,有的只能單向被動地接收信息,F(xiàn)有系統(tǒng)在擴充對新設備和新應用服務的支持時非常復雜。例如,今天我們已經可以用SMS(短消息)和WAP手機訪問股票信息,我們不能預見明天的熱門設備是什么,況且,每個人的個性因人而異,對設備的喜好也希望個性化,未來的信息設備將會是群雄并起,百家爭鳴。
4 普適計算需要的條件
第一,處理器價格越來越便宜,而體積越來越小,使得計算機功能得以廣泛應用?梢詫⒂嬎銠C部件安裝在任何用于監(jiān)控或采集數(shù)據(jù)的各種小型計算物理設備上,例如家用電器、數(shù)據(jù)采集器、跟蹤器等。
第二,高的網絡帶寬也確保了網絡連接更快、更方便、更便宜,更完善的網絡保證了網絡連接的質量和效率。
第三,現(xiàn)在已被廣泛應用的蜂窩技術也有了很大的發(fā)展。蜂窩式移動通訊系統(tǒng)的覆蓋能力和范圍比任何通信系統(tǒng)都要廣,且價格低廉。 蜂窩電話不必插在墻壁上,用戶在任何地方都能打。通過蜂窩技術的連接,不用物理連線就可以將POS銷售機連到局域網上。
5 普適計算的特性
間斷連接與輕量計算是普適計算最重要的兩個特征。普適計算的軟件技術就是要實現(xiàn)在這種環(huán)境下的事務和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
普適計算的第一個特征是間斷連接,是服務器能否不時地同用戶(特別是移動用戶)保持聯(lián)系。用戶必須能夠存取服務器信息,在中斷聯(lián)系的情況下,可以處理這些信息。所以,企業(yè)計算中心的數(shù)據(jù)和應用服務器能否同用戶保持有效的聯(lián)系就成為一個十分關鍵的因素。由于有部分數(shù)據(jù)要存儲在普適計算設備上,普適計算中的數(shù)據(jù)庫成為一個很關鍵的軟件基礎部件。例如,新型的汽車上安裝了許多小型的車用計算機部件,用來控制燃料的使用,根據(jù)溫度和氣壓調整發(fā)動機的運轉。這些部件彼此相連,并把測出數(shù)據(jù)作為汽車運行保養(yǎng)的分析基礎數(shù)據(jù)。當汽車修理時,修理人員插入一個計算機連接器件,獲取這些數(shù)據(jù)來分析。還可以增加復雜的數(shù)據(jù)連接功能,如連接到全球定位系統(tǒng),讓司機準確獲知當前的位置,與電子地圖相連,輸入目的地,顯示出到達目的地的最快路徑,以及連上互聯(lián)網其它信息,如天氣預報、飯店的地址和電話等。完善的數(shù)據(jù)連接功能可以為用戶提供更多的服務。
普適計算的第二個特征是輕量計算,即計算資源相對有限。普適計算主要用于商業(yè)用途的數(shù)據(jù)處理,通常針對移動辦公的工作人員和需要經常在旅途中存取公司系統(tǒng)數(shù)據(jù)的職員,他們需要不受地域和時間限制地獲取和處理核心系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)。
6 普適計算對數(shù)據(jù)庫的要求
數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)普適計算的重要基礎。如果直接把傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫應用移植到移動設備上,對數(shù)據(jù)庫的開銷要求較高。普適計算中數(shù)據(jù)庫要解決的兩個問題是:第一是數(shù)據(jù)復制的實現(xiàn),也可稱為數(shù)據(jù)同步化,確保隨時隨地數(shù)據(jù)一致,并促使設備與服務器的數(shù)據(jù)雙向流動。第二是開發(fā)支持標準API和SQL子集的小型DB2,使用戶可以將已有的應用程序,方便地移植到這些設備上,也可以用相同的工具和API來編寫新的應用程序;同時保持較低的系統(tǒng)開銷和較高的數(shù)據(jù)處理性能。所用的數(shù)據(jù)則來自用數(shù)據(jù)復制功能從中心服務器獲得的數(shù)據(jù)。
普適計算的數(shù)據(jù)庫必須是一種具有持久存儲機制的可縮放數(shù)據(jù)庫環(huán)境,可以存儲大量數(shù)據(jù),并且能保證操作過程中即使斷電也不會丟失數(shù)據(jù)。通常的辦法是把數(shù)據(jù)放在Flash內存中,所以數(shù)據(jù)恢復技術與普通的數(shù)據(jù)庫不太一樣。多用戶環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫服務要考慮記錄鎖定的問題,所以具有并發(fā)控制機制,但移動式數(shù)據(jù)庫并不一定需要封鎖機制。此外,由于數(shù)據(jù)量較少,索引也相應減少,一些傳統(tǒng)的查詢優(yōu)化技術也變得不太重要,所以移動式數(shù)據(jù)庫與典型的數(shù)據(jù)庫差別還是較大的。因此,對數(shù)據(jù)庫就有三個基本要求:
第一,在普適計算設備上安裝一個系統(tǒng)開銷低的小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),用于在本地存取信息。由于設備通常很小,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須要比目前更小才能適合這些設備。
第二,在軟件的分布、數(shù)據(jù)備份和恢復、移動存取等方面,要具備高效、實時的數(shù)據(jù)復制能力。保證移動設備上的數(shù)據(jù)與企業(yè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)同步,因此,對數(shù)據(jù)庫的備份和恢復、分布式數(shù)據(jù)庫管理等方面都有特殊要求。
第三,普適計算也與電子商務緊密聯(lián)系在一起,那些電子商務應用程序要求能夠交流、存取信息。
IBM的DB2數(shù)據(jù)庫移動版本是一套比較成熟的普適計算數(shù)據(jù)庫產品,安裝在移動設備上時,提供了一系列的功能選項供用戶選擇,除了創(chuàng)建表、插入、刪除、修改、查詢、排序、主關鍵字、索引和連接操作等數(shù)據(jù)庫核心功能外,其它擴展功能如子查詢、聚集、并發(fā)控制、備份和恢復等都可以根據(jù)實際情況有選擇地配置。
7 普適計算對于系統(tǒng)開銷的要求
按普適計算對于系統(tǒng)開銷的要求通?梢苑譃槿N類型,分別使用三類操作系統(tǒng),適用于不同類型的用戶,針對不同的市場,有三種不同的數(shù)據(jù)存儲需求。
第一種是Windows CE,它具有典型的前端辦公形式應用程序,是用于商務處理的完整操作系統(tǒng),在小型輕便個人計算機上運行。用戶用微型鍵盤輸入數(shù)據(jù),整個系統(tǒng)開銷大約為2 MB,所以數(shù)據(jù)庫的開銷很小 ,大約只有1 MB,物理存儲量約在500 MB~600 MB之間。
第二種是手持設備(又叫掌上機,Palm),運行生產商特制的掌上機操作系統(tǒng)(Palm OS)。這種設備比Windows CE設備更小,通過手寫筆進行數(shù)據(jù)錄入,配有一個很小的瀏覽窗口。通常該設備上數(shù)據(jù)庫可用的內存容量小于1MB,物理存儲量在500 MB以下。
第三種設備的代表是汽車的內置計算機部件。這種設備只有100 KB的內存,沒有硬盤存儲,運行用專用的實時操作系統(tǒng)開發(fā)商開發(fā)的操作系統(tǒng)。
8 普適計算用途及前景
普適計算主要用于商業(yè),通常針對移動辦公的工作人員和需要經常存取公司系統(tǒng)信息的職員。現(xiàn)在的計算機部件越來越小,因此,可以將這些功能集中于一種設備來取代各種專用設備,如取代電話、呼叫器、計算機和網絡連接等設備。
正在興起的普適計算帶來許許多多新的機會,數(shù)字家庭就是其中之一。它將改變人們未來的生活方式。數(shù)字家庭能通過家庭網關將寬帶網絡接入家庭,家庭內部的網絡可以是無線或有線的。在家庭內部,手持設備、PC或者家用電器通過有線或者無線的方式連接到網絡,從而提供了一個無縫、交互和普適計算的環(huán)境。人們能在任何地點、任何時候訪問社區(qū)服務網絡,比如在社區(qū)里預定一場比賽的門票,電子家庭解決方案通過高級的設備與電器診斷、自動定時、集中和遠程控制等功能,令生活更方便舒適;通過遠程監(jiān)控器監(jiān)控家庭的情況,使生活更安全。IBM提出普適計算概念的目標是發(fā)展更具實用意義的各類信息終端產品,從而真正實現(xiàn)電子商務向信息終端產品的延伸。目前,IBM已將普適計算確定為電子商務之后的又一重大發(fā)展戰(zhàn)略,并開始了端到端解決方案的技術研發(fā)。2000年IBM公司發(fā)布了IBM WebSphere Everyplace Suite棗基于服務器端的Websphere Everyplace 軟件套件和基于客戶端的 Websphere Everyplace 軟件套件的嵌入式版本。
IBM公司負責普適計算的高級副總裁Michael Rhodin先生認為,實現(xiàn)普適計算的基本條件是計算設備越來越小,方便人們隨時隨地佩帶和使用。在計算設備無時不在、無所不在的條件下,普適計算才有可能實現(xiàn)。但計算設備功能的增強和體積的變小帶來了一個人們必須面對的問題:如何有效地操作這些設備? 解決的辦法只有一個:讓計算機學會理解人的表情、感受,最終讓人以最自然的方式使用計算機。例如,IBM研發(fā)的BlueBoard(藍板)技術
,是一片薄薄的屏幕板,使用者只用其胸前掛著的看上去與普通員工卡沒什么兩樣的小卡片,對準藍板一下,就可以顯示出其個人主頁及定制好的其它內容。其后的一切操作和任務都只靠使用者的手指在藍板上指指劃劃就全部搞定了,包括查閱資料、共享文件、與同事實時互傳信息、發(fā)送指令、布置任務、協(xié)同工作等。簡直是太方便了!有了BlueBoard,將來人們旅行時,不再需要攜帶計算機,只需帶著這張小小的卡片,進入系統(tǒng)就可以在任何地方工作或傳遞信息,這張小小的卡片就成了一臺計算機。
結 語
目前,計算和信息訪問還是一種工作方式,使用計算機還是一種“技術”。如果有一天,計算和信息訪問將不再是一種“工作”和“技術”,而成為我們生活的一部分,人們雖然不能明確地感受到它們的存在,但卻每時每刻都離不開它們, 那么可以說,我們就實現(xiàn)了“普適計算”的理想境界。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使普適計算的深度和廣度不斷擴大,為開發(fā)新型的應用和服務提供了近乎無限的可能性,各行各業(yè)都可能使用普適計算。現(xiàn)在,IBM的科學家們正在為著這一目標努力。
“普適計算”這個概念的出現(xiàn)時間不長,希望本文對普適計算的研究有拋磚引玉之效。
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