嵌入式系统技术中的机器学习技术ZhaoLianZhengShandong University of Science and TechnologyInformation and Sciences Qingdao, China185948214qq.comAbstractThis paper introduces the concepts and characteristics of embedded systems, review the application of machine learning technology-related technology in embedded systems. To understand the status of the application of machine learning technology in embedded systems based on the proposed development trend of embedded systems based on machine learning techniques.Keywords-embedded; machine learning; techniques I. 引言以 嵌 入 式 计 算 机 为 核 心 的 嵌 入 式 系 统 (Embedded System)是 继 IT 网 络 技 术 之 后 ， 又 一 个 新 的 技 术 发 展 方 向 ，它 以 其 强 大 而 灵 活 的 可 应 用 性 得 到 了 计 算 机 、 通 信 和 信 息等 产 业 的 广 泛 认 可 ， 已 被 广 泛 应 用 在 工 业 控 制 、 交 通 管 理 、信 息 家 电 、 家 庭 智 能 管 理 系 统 、 网 络 及 电 子 商 务 、 环 境 监测 和 机 器 人 控 制 等 领 域 1。 嵌 入 式 系 统 的 出 现 与 发 展 将 真正 实 现 计 算 机 的 “无 处 不 在 ”机 器 学 习 (Machine Learning)是 研 究 计 算 机 怎 样模 拟 或 实 现 人 类 的 学 习 行 为 ， 以 获 取 新 的 知 识 或 技 能 ， 重新 组 织 已 有 的 知 识 结 构 使 之 不 断 改 善 自 身 的 性 能 。 它 是 人工 智 能 的 核 心 ， 是 使 计 算 机 具 有 智 能 的 根 本 途 径 ， 其 应 用遍 及 人 工 智 能 的 各 个 领 域 ， 它 主 要 使 用 归 纳 、 综 合 而 不 是演 绎 2。II. 嵌入式系统A. 嵌入式系统 的 定义及其特点嵌 入 式 系 统 （ Embedded system） ， 是 一 种 “完 全 嵌 入 受控 器 件 内 部 ， 为 特 定 应 用 而 设 计 的 专 用 计 算 机 系 统 ”， 根据 英 国 电 器 工 程 师 协 会 （ U.K. Institution of Electrical Engineer） 的 定 义 ， 嵌 入 式 系 统 为 控 制 、 监 视 或 辅 助 设 备 、机 器 或 用 于 工 厂 运 作 的 设 备 。 与 个 人 计 算 机 这 样 的 通 用 计算 机 系 统 不 同 ， 嵌 入 式 系 统 通 常 执 行 的 是 带 有 特 定 要 求 的预 先 定 义 的 任 务 。 由 于 嵌 入 式 系 统 只 针 对 一 项 特 殊 的 任 务 ，设 计 人 员 能 够 对 它 进 行 优 化 ， 减 小 尺 寸 降 低 成 本 。 嵌 入 式系 统 通 常 进 行 大 量 生 产 ， 所 以 单 个 的 成 本 节 约 ， 能 够 随 着产 量 进 行 成 百 上 千 的 放 大 3。 嵌 入 式 系 统 的 核 心 是 由 一个 或 几 个 预 先 编 程 好 以 用 来 执 行 少 数 几 项 任 务 的 微 处 理 器或 者 单 片 机 组 成 。 与 通 用 计 算 机 能 够 运 行 用 户 选 择 的 软 件不 同 ， 嵌 入 式 系 统 上 的 软 件 通 常 是 暂 时 不 变 的 ； 所 以 经 常称 为 “固 件 ”4。国 内 普 遍 认 同 的 嵌 入 式 系 统 定 义 为 ： 以 应 用 为 中 心 ，以 计 算 机 技 术 为 基 础 ， 软 硬 件 可 裁 剪 ， 适 应 应 用 系 统 对 功能 、 可 靠 性 、 成 本 、 体 积 、 功 耗 等 严 格 要 求 的 专 用 计 算 机系 统 5。嵌 入 式 系 统 从 应 用 角 度 出 发 ， 它 是 20 世 纪 70 年 代 以后 计 算 机 发 展 的 一 个 分 支 ， 以 应 用 为 中 心 ， 以 计 算 机 技 术为 基 础 ， 软 、 硬 件 可 裁 剪 ， 适 用 于 应 用 系 统 对 功 能 、 可 靠性 、 成 本 、 体 积 、 功 耗 等 方 面 有 严 格 要 求 的 专 用 计 算 机 系统 。 简 单 的 说 ， 嵌 入 式 系 统 是 嵌 入 到 目 标 体 系 中 的 专 用 计算 机 系 统 6。嵌 入 式 系 统 一 般 由 嵌 入 式 微 处 理 器 、 外 围 硬 件 设 备 、嵌 入 式 软 件 操 作 系 统 以 及 用 户 的 应 用 程 序 4 部 分 组 成 ， 用于 实 现 对 其 他 外 部 设 备 控 制 以 及 网 络 的 数 据 交 换 等 功 能 7。针 对 于 某 种 特 定 的 应 用 需 求 ， 嵌 入 式 系 统 嵌 入 到 对 象 软 硬件 体 系 中 ,从 而 实 现 其 对 应 的 功 能 8。嵌 入 式 系 统 与 普 通 的 PC 系 统 相 比 主 要 具 有 以 下 特 点 ：(1) 嵌 入 式 系 统 功 耗 低 ， 体 积 小 ， 专 用 性 强 。 嵌 入 式CPU 工 作 在 为 特 定 用 户 群 设 计 的 系 统 中 ， 能 够 把 PC 中 许多 板 卡 完 成 的 任 务 集 成 到 芯 片 内 部 ， 有 利 于 嵌 入 式 系 统 设计 的 小 型 化 9。(2) 嵌 入 式 系 统 中 的 软 件 一 般 固 化 在 存 储 芯 片 或 单 片机 本 身 中 ， 以 提 高 实 行 速 度 与 系 统 可 靠 性 。 硬 软 件 都 必 须高 效 设 计 ， 系 统 要 精 简 ， 对 软 件 代 码 质 量 要 求 很 高 。 操 作系 统 一 般 和 软 件 集 成 在 一 起 。(3) 嵌 入 式 系 统 开 发 需 要 专 门 的 开 发 工 具 和 开 发 环 境10。III. 机器学习技术A. 机器学习技术简介及特点机 器 学 习 是 一 门 研 究 机 器 获 取 新 知 识 和 新 技 能 ， 并 识别 现 有 知 识 的 学 问 。 机 器 学 习 是 计 算 机 科 学 和 人 工 智 能 中非 常 重 要 的 一 个 研 究 领 域 ， 机 器 学 习 不 但 在 计 算 机 科 学 的众 多 领 域 中 大 显 身 手 ， 而 且 成 为 一 些 交 叉 学 科 的 重 要 支 撑技 术 11。 机 器 学 习 在 人 工 智 能 的 研 究 中 具 有 十 分 重 要 的 地位 。 一 个 不 具 有 学 习 能 力 的 智 能 系 统 难 以 称 得 上 是 一 个 真正 的 智 能 系 统 12。 计 算 机 是 是 如 何 进 行 机 器 学 习 的 呢 ？ 通俗 来 说 ， 计 算 机 程 序 是 随 着 经 验 积 累 自 动 提 高 性 能 13， 更深 层 来 说 就 是 计 算 机 是 如 何 通 过 修 改 代 码 来 发 展 出 自 己 新的 功 能 ， 从 而 变 得 独 立 而 强 大 。 在 机 器 学 习 在 过 去 十 年 实际 应 用 的 急 剧 增 长 一 直 伴 随 着 相 关 的 算 法 和 技 术 的 许 多 重要 发 展 14。 正 是 在 这 种 情 形 下 ， 机 器 学 习 逐 渐 成 为 人 工 智能 研 究 的 核 心 之 一 。 它 的 应 用 已 遍 及 人 工 智 能 的 各 个 分 支 ，如 专 家 系 统 、 自 动 推 理 、 自 然 语 言 理 解 、 模 式 识 别 、 计 算机 视 觉 、 智 能 机 器 人 等 领 域 15。机 器 能 否 象 人 类 一 样 能 具 有 学 习 能 力 呢 ？ 1959 年美 国 的 塞 缪 尔 (Samuel)设 计 了 一 个 下 棋 程 序 ， 这 个 程 序 具有 学 习 能 力 ， 它 可 以 在 不 断 的 对 奕 中 改 善 自 己 的 棋 艺 4 年后 ， 这 个 程 序 战 胜 了 设 计 者 本 人 。 又 过 了 3 年 ， 这 个 程 序战 胜 了 美 国 一 个 保 持 8 年 之 久 的 常 胜 不 败 的 冠 军 。 这 个 程序 向 人 们 展 示 了 机 器 学 习 的 能 力 ， 提 出 了 许 多 令 人 深 思 的社 会 问 题 与 哲 学 问 题 。机 器 的 能 力 是 否 能 超 过 人 的 ， 很 多 持 否 定 意 见 的人 的 一 个 主 要 论 据 是 ： 机 器 是 人 造 的 ， 其 性 能 和 动 作 完 全是 由 设 计 者 规 定 的 ， 因 此 无 论 如 何 其 能 力 也 不 会 超 过 设 计者 本 人 。 这 种 意 见 对 不 具 备 学 习 能 力 的 机 器 来 说 的 确 是 对的 ， 可 是 对 具 备 学 习 能 力 的 机 器 就 值 得 考 虑 了 ， 因 为 这 种机 器 的 能 力 在 应 用 中 不 断 地 提 高 ， 过 一 段 时 间 之 后 ， 设 计者 本 人 也 不 知 它 的 能 力 到 了 何 种 水 平 。 什 么 叫 做 机 器 学 习 (machine learning)？ 至 今 ， 还 没有 统 一 的 “机 器 学 习 ”定 义 ， 而 且 也 很 难 给 出 一 个 公 认 的 和准 确 的 定 义 。 为 了 便 于 进 行 讨 论 和 估 计 学 科 的 进 展 ， 有 必要 对 机 器 学 习 给 出 定 义 ， 即 使 这 种 定 义 是 不 完 全 的 和 不 充分 的 。 顾 名 思 义 ， 机 器 学 习 是 研 究 如 何 使 用 机 器 来 模 拟人 类 学 习 活 动 的 一 门 学 科 。 稍 为 严 格 的 提 法 是 ： 机 器 学 习是 一 门 研 究 机 器 获 取 新 知 识 和 新 技 能 ， 并 识 别 现 有 知 识 的学 问 。 这 里 所 说 的 “机 器 ”， 指 的 就 是 计 算 机 ； 现 在 是 电 子计 算 机 ， 以 后 还 可 能 是 中 子 计 算 机 、 光 子 计 算 机 或 神 经 计算 机 等 等 。IV. 嵌入式系统与机器学习技术关系及应用A. 嵌入式与机器学习技术关系与发展众 所 周 知 ， 机 器 学 习 是 人 工 智 能 的 一 个 非 常 重 要 的 部分 ， 在 当 今 计 算 机 及 其 相 关 领 域 内 ， 人 工 智 能 被 受 到 广 泛的 重 视 ， 它 已 经 被 人 们 应 用 到 几 乎 任 何 的 计 算 机 领 域 ， 当然 这 也 包 括 当 今 热 门 的 嵌 入 式 系 统 领 域 。 同 样 ， 机 器 学 习技 术 也 被 人 工 智 能 这 股 风 暴 带 进 了 嵌 入 式 领 域 ， 被 当 作 一种 新 兴 的 思 想 ， 一 种 新 的 技 术 ， 被 整 合 到 嵌 入 式 系 统 内