從現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視角看嵌入式系統(tǒng)(1)——嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

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從現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視角看嵌入式系統(tǒng)(1)
——嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

北京航空航天大學(xué) 何立民

過(guò)去，我們都是孤立地研究通用計(jì)算機(jī)發(fā)展史與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史，如今可以從現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一發(fā)展史，來(lái)研究通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史。通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大分支，它們的源頭是圖靈計(jì)算機(jī)思想，基礎(chǔ)是微處理器。微處理器的兩大分支衍生出通用微處理器基礎(chǔ)上的通用計(jì)算機(jī)與嵌入式處理器基礎(chǔ)上的微控制器(即嵌入式系統(tǒng))。

嵌入式處理器、微控制器、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)，它們本質(zhì)相同，都源于微處理器，是微處理器的一個(gè)分支，具有智力控制、單片形態(tài)、嵌入式應(yīng)用等特征。在不同時(shí)期，突出不同特征時(shí)，形成了不同的稱謂。

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史，上溯至圖靈機(jī)，下連現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與通用計(jì)算機(jī)。因?yàn)閳D靈機(jī)奠定了微處理器的人工智能結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)是微處理器基礎(chǔ)上的人工智能機(jī)，通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的一對(duì)孿生兄弟。微處理器誕生后，隨即分化成通用微處理器(MPU)與嵌入式微處理器(MCU)。前者構(gòu)成了通用計(jì)算機(jī)，后者成為嵌入式應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)。

通用計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)人類智力仿真，嵌入式系統(tǒng)用于人類工具的智能化，從而導(dǎo)致它們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)、技術(shù)內(nèi)涵、應(yīng)用方式、發(fā)展方向上不可兼容。

至今，嵌入式系統(tǒng)還沒(méi)有明確的定義。本文嘗試對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)加以定義，在明確定義的基礎(chǔ)上討論嵌入式系統(tǒng)。

1什么是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)？

談到計(jì)算機(jī)，許多人會(huì)想到“計(jì)算機(jī)器”，并上溯到人類歷史上的計(jì)算工具，如算盤(pán)、手搖計(jì)算器、模擬計(jì)算機(jī)等。實(shí)際上，我們今天普遍使用的計(jì)算機(jī)與這些計(jì)算機(jī)并無(wú)任何瓜葛。計(jì)算機(jī)的源頭，是20世紀(jì)30年代的圖靈機(jī)，因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)不是數(shù)值計(jì)算機(jī)，而是人工智能機(jī)，故稱它為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。

將人工智能與“計(jì)算”聯(lián)姻，是20世紀(jì)30年代圖靈學(xué)者們的最大功績(jī)。一切事物皆可計(jì)算的“可計(jì)算原理”奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件的理論基礎(chǔ)，圖靈機(jī)模型成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)最原始的體系結(jié)構(gòu)。

圖靈機(jī)30年的超前思想，并未給圖靈帶來(lái)應(yīng)有的榮譽(yù)，他生前未能看到圖靈機(jī)的實(shí)用化成果，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電子器件無(wú)法構(gòu)成完善、可靠的圖靈機(jī)。1946年的電子管計(jì)算機(jī)、1956年的晶體管計(jì)算機(jī)，雖然驗(yàn)證了圖靈機(jī)的思想，但離人工智能機(jī)的智力仿真與工具智能化的夢(mèng)想仍十分遙遠(yuǎn)。智力仿真的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)該是普通價(jià)位的桌面系統(tǒng)；智能化工具的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該是具有極低價(jià)位、微小體積的嵌入式系統(tǒng)。1946年誕生的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC，使用了18 000個(gè)電子管，占地167 m2、重30噸、耗電160 kW；1959年，IBM公司又生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計(jì)算機(jī)IBM7090，成為當(dāng)時(shí)的巨型機(jī)。它們都無(wú)法實(shí)現(xiàn)人類智力仿真與工具智能化的夢(mèng)想，直到微處理器誕生。

1958年，仙童公司的羅伯特·基爾比和德州儀器公司的杰克·基爾比，先后發(fā)明了集成電路。隨后，集成電路迅速取代晶體管。集成電路的一個(gè)奇跡是1971年誕生的微處理器Intel 4004，一顆米粒大小的芯片內(nèi)核竟然與占地167 m2、重30噸、耗電160kW的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC功能相同，表明在集成電路基礎(chǔ)上，圖靈機(jī)有可能完成從人工智能機(jī)模型到人工智力內(nèi)核的最終轉(zhuǎn)變。

如果說(shuō)圖靈機(jī)只是人工智能機(jī)的一個(gè)概念模型，微處理器則是一個(gè)完善的歸一化智力內(nèi)核。如果說(shuō)Intel 4004只是微處理器的探索，那么1972年8位微處理器8008的誕生，宣告人類正式進(jìn)入到微處理器基礎(chǔ)上的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)代。

微處理器是人工智能機(jī)的智力內(nèi)核，它既要滿足智力仿真，又要滿足人類工具智能化的夢(mèng)想。因此，8008誕生后，迅速形成了通用微處理器與嵌入式處理器兩大分支，以及通用微處理器基礎(chǔ)上的通用計(jì)算機(jī)與嵌入式處理器基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)。由于智力仿真與工具智能化的目標(biāo)不同，開(kāi)始了通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)南轅北轍的發(fā)展道路。形態(tài)上，通用計(jì)算機(jī)迅速演化成桌面系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)則堅(jiān)持走極低價(jià)位、微小體積的單芯片系統(tǒng)道路。體系結(jié)構(gòu)上，通用計(jì)算機(jī)軟硬件分離；嵌入式系統(tǒng)軟硬件一體化，軟件固化在程序存儲(chǔ)器中。技術(shù)發(fā)展方向上，通用計(jì)算機(jī)以高速、海量數(shù)值計(jì)算為主，并配以相應(yīng)的外部設(shè)備；嵌入式系統(tǒng)著力開(kāi)發(fā)控制功能，發(fā)展相應(yīng)的控制模塊與接口技術(shù)，并不斷將它們集成到芯片中。應(yīng)用方式上，通用計(jì)算機(jī)以桌面方式實(shí)現(xiàn)人類智力仿真；嵌入式系統(tǒng)則嵌入到對(duì)象(工具)體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化。

由此可知，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大分支，也是微處理器基礎(chǔ)上的一對(duì)孿生兄弟。雖是孿生兄弟，卻差異很大，發(fā)展方向也是南轅北轍。

2什么是嵌入式系統(tǒng)？

嵌入式系統(tǒng)源于微處理器，有著40年的復(fù)雜演化歷程。20世紀(jì)90年代末，“嵌入式系統(tǒng)”一詞才開(kāi)始流行。在嵌入式系統(tǒng)業(yè)界看來(lái)，嵌入式系統(tǒng)從來(lái)就是一個(gè)模糊概念，也無(wú)人給它以確切的定義。記得1999年在杭州舉行的全國(guó)單片機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議上，有人建議將單片機(jī)改成嵌入式系統(tǒng)，引來(lái)了巨大的紛爭(zhēng)。即便是“嵌入”兩字，也出現(xiàn)了“in”和“to”之爭(zhēng)。20世紀(jì)90年代末，“嵌入式系統(tǒng)”一詞才開(kāi)始流行，由此造成了人們對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”認(rèn)識(shí)上的模糊。

目前被廣泛引用的嵌入式系統(tǒng)定義，并不是業(yè)界的定義。根據(jù)IEEE(國(guó)際電機(jī)工程師協(xié)會(huì))的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。從中可以看出，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁減，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。顯然這只是對(duì)嵌入式系統(tǒng)的描述，而非定義。首先，在這個(gè)定義中沒(méi)有明確的“非它莫屬”的邊界條件，因?yàn)樵谠S多傳統(tǒng)電子系統(tǒng)中，控制、監(jiān)視或者輔助機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置并不是嵌入式系統(tǒng)。另外，“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的說(shuō)法容易混淆嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)差異。

嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上是智能控制機(jī)，因此，可以將嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)單地定義成“嵌入到對(duì)象體系中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的一個(gè)智力內(nèi)核”。這個(gè)智力內(nèi)核的最初形態(tài)，是誕生于1976年的嵌入式處理器，后經(jīng)系統(tǒng)配置、接口技術(shù)的不斷集成與演化，經(jīng)歷了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造的單片機(jī)時(shí)代，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)交叉融合的嵌入式系統(tǒng)時(shí)代，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)大科技的嵌入式系統(tǒng)服務(wù)時(shí)代。40年來(lái)，盡管嵌入式系統(tǒng)本身及其服務(wù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的變化，但嵌入式系統(tǒng)的“智力內(nèi)核”、“對(duì)象嵌入”、“智能控制”的三大特征依然不變。

把嵌入式系統(tǒng)看成是一個(gè)通用智力內(nèi)核，是因?yàn)樗皇且粋€(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)，而是構(gòu)成智能產(chǎn)品系統(tǒng)中的一個(gè)通用智力核心。我們可以看到，許多不相干的智能化產(chǎn)品中都有相同或相似的微控制器內(nèi)核，把嵌入式系統(tǒng)看成是一個(gè)通用智力內(nèi)核的嵌入式應(yīng)用，才有了嵌入式系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、嵌入式技術(shù)等說(shuō)法。

3三位一體的嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)70年代，“嵌入式系統(tǒng)”一詞卻出現(xiàn)在90年代，這似乎是一個(gè)十分奇特的現(xiàn)象。

嵌入式系統(tǒng)的源頭是誕生于1976年的微控制器，“單片、嵌入、控制”是嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)特點(diǎn)，因此，“微控制器”、“單片機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)真身。至今，不少人在不同領(lǐng)域都同時(shí)在使用這3個(gè)名詞，也多多少少地代表了某個(gè)時(shí)代的特征。

1972年8位微處理器8008誕生，引發(fā)了通用微處理器與嵌入式處理器應(yīng)用熱潮。在通用微處理器領(lǐng)域，1973年，Intel推出了8088，1981年IBM在它的基礎(chǔ)上推出了第一代通用計(jì)算機(jī)，即IBM-PC；在嵌入式處理器領(lǐng)域，則呈現(xiàn)出了微控制器的百花齊放態(tài)勢(shì)，如1974年仙童公司的F8、1976年Intel的MCS-48、1977年GI公司的PIC1650、1978年Rockwell公司的6500、Motorola公司的6801與Zilog公司的Z8。1980年MCS-51問(wèn)世后，開(kāi)始了嵌入式系統(tǒng)20年之久的單片機(jī)時(shí)代。

20多年前，將嵌入式系統(tǒng)看成是單片機(jī)是有道理的。它首先將“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”以單芯片方式展現(xiàn)給世人，人們以單片機(jī)為核心，構(gòu)成最小系統(tǒng)，嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。當(dāng)時(shí)流行過(guò)“Single Chip Microcomputer”或“Single Chip Microcontroller”詞語(yǔ)，中文則直譯為“單片機(jī)”。另外，此時(shí)單片機(jī)技術(shù)主要流行于對(duì)象領(lǐng)域，用于傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造，從事單片機(jī)應(yīng)用的主要群體是電子工程師，與傳統(tǒng)的分離電子器件相比，他們更青睞于“單片機(jī)”的概念。然而，單片形態(tài)只描述了嵌入式系統(tǒng)單芯片的形態(tài)特點(diǎn)，無(wú)法表達(dá)嵌入式系統(tǒng)“智能控制”、“嵌入式應(yīng)用方式”等諸多特點(diǎn)，于是又有了“MCU(Micro Controller Unit)”、“Embedded System”這些名詞術(shù)語(yǔ)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，“單片機(jī)”用語(yǔ)逐漸衰退，代之以“嵌入式系統(tǒng)”也是有道理的。因?yàn)檫@時(shí)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造基本完成，即將進(jìn)入到一個(gè)智能電子系統(tǒng)的創(chuàng)新時(shí)代，電子工程師已力不從心，急需計(jì)算機(jī)工程技術(shù)的介入，如操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、計(jì)算機(jī)工程方法等；后PC時(shí)代，單片機(jī)應(yīng)用的巨大市場(chǎng)也在吸引眾多的計(jì)算機(jī)界人士，計(jì)算機(jī)界人士進(jìn)入單片機(jī)領(lǐng)域后，他們更愿意使用“嵌入式系統(tǒng)”一詞。從某種意義上講，“嵌入式系統(tǒng)”意味著單片機(jī)進(jìn)入到電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的交叉融合時(shí)代?！皢纹瑱C(jī)”只突出單片形態(tài)，而“嵌入式系統(tǒng)”只描述了嵌入式應(yīng)用特征，沒(méi)有全面表現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的智能化控制特征。因此，有人建議將它改稱為“智能電子系統(tǒng)”，但智能電子系統(tǒng)易與產(chǎn)品系統(tǒng)相混淆，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是一個(gè)通用智力內(nèi)核，并不是一個(gè)最終的產(chǎn)品系統(tǒng)。

4嵌入式系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是單片、嵌入與智能化控制，也是實(shí)現(xiàn)工具智能化的3個(gè)基本要求。

單芯片形態(tài)是嵌入式系統(tǒng)固守的形態(tài)特征。從最早的MCS-48到MCS-51的完善，隨后的80C51的功能擴(kuò)展、總線配置，到如今的多核系統(tǒng)，無(wú)不遵循SoC的最大

化發(fā)展模式。在嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展道路上，眾多前沿技術(shù)早期往往都是MCU的外圍擴(kuò)展電路，但最終都會(huì)進(jìn)入MCU片內(nèi)，如早期的ADC、DAC、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及后來(lái)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、時(shí)鐘系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理、網(wǎng)絡(luò)接口、多機(jī)總線等。單芯片形態(tài)既有利于提高系統(tǒng)的整體可靠性，又可極大程度降低系統(tǒng)成本。

嵌入式應(yīng)用，突出了它的應(yīng)用方式與應(yīng)用特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)智力內(nèi)核，通常都要嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)的智能化。早期，傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能改造時(shí)期，這一特點(diǎn)十分明顯，老百姓將嵌有單片機(jī)的家用電器稱為帶電腦的家用電器(如帶電腦的電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等)。后來(lái)，出現(xiàn)了許多創(chuàng)新型智能化電子系統(tǒng)(如MP3、PDA、智能手機(jī)、iPod等)，其嵌入對(duì)象并不明顯，以至于有人混淆了嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)品系統(tǒng)的界線。例如，所有智能手機(jī)廠家，盡管手機(jī)產(chǎn)品各異，但它們都有相同或相似的產(chǎn)品平臺(tái)，許多手機(jī)廠家在聯(lián)發(fā)科的MTK手機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出形形色色的手機(jī)型號(hào)。這一切都表明，嵌入式系統(tǒng)不是一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)。

智能化控制，表明所有智能化工具都有相似的、相對(duì)獨(dú)立的智能化控制單元，這個(gè)智能化控制單元就是嵌入式系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 何立民.嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史[J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2004(1).

[2] 何立民.從嵌入式系統(tǒng)看現(xiàn)代計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命[J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(1).

[3] 何立民.微處理器智力內(nèi)核使一切成為可能[J] .電子產(chǎn)品世界,2009(1).

安森美半導(dǎo)體加快物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備創(chuàng)新

安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)，將重點(diǎn)圍繞Intel Quark處理器系列，用于一系列寬廣的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用。擴(kuò)展Intel Quark處理器至物聯(lián)網(wǎng)，延伸了智能計(jì)算至要求低功耗的新系列器件，可應(yīng)用于傳感器輸入和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。Intel Quark處理器為物聯(lián)網(wǎng)提供靈活的、低功耗計(jì)算，用于一系列寬廣的小外形應(yīng)用，為下一波智能物聯(lián)網(wǎng)提供低成本連接、集成和兼容性。

安森美半導(dǎo)體結(jié)合Intel Quark處理器及公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和領(lǐng)先業(yè)界的電源管理方案，以及廣博的電機(jī)控制算法知識(shí)，為無(wú)刷直流(BLDC)和交流變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的空間矢量調(diào)制(DTC-SVM)電機(jī)控制平臺(tái)。該平臺(tái)配以安森美半導(dǎo)體的智能功率模塊(IPM)，采用Intel Quark微控制器D1000，支持低速和高轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，顯著減少開(kāi)關(guān)損耗，并大大縮短延遲。

安森美半導(dǎo)體公司策略及營(yíng)銷副總裁David Somo說(shuō)：“我們與Intel的合作，已加快系統(tǒng)架構(gòu)的進(jìn)展，并提升用于一系列應(yīng)用的電機(jī)控制方案的整體性能。Intel的IA架構(gòu)涵蓋了邊緣到云計(jì)算系列，并受惠于全面的開(kāi)發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化和加速客戶的開(kāi)發(fā)工作?！?/p>

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-09-23)