從現(xiàn)代計算機視角看嵌入式系統(tǒng)(4)
——嵌入式系統(tǒng)40年發(fā)展史

北京航空航天大學　何立民

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從現(xiàn)代計算機視角看嵌入式系統(tǒng)(4)

——嵌入式系統(tǒng)40年發(fā)展史

北京航空航天大學何立民

從Intel公司1976年的MCS-48誕生算起，微控制器已有40年的發(fā)展史。微控制器是微處理器應智能化控制需求演化出來的一個分支，突出了它的控制功能，應稱之為微控制器(MCU)。微控制器具有單芯片形態(tài)、嵌入式應用方式，歷史上曾廣泛稱它為單片機，現(xiàn)在，許多人都稱它為嵌入式系統(tǒng)。

1　Intel的歷史功績

Intel公司1971推出的第1個微處理器4004雖然沒有實用化，卻是現(xiàn)代計算機發(fā)展史的里程碑事件。如果說圖靈機是現(xiàn)代計算機的第1個里程碑事件，那么，微處理器誕生便是第2個里程碑事件。圖靈機奠定了現(xiàn)代計算機的思想理論基礎，微處理器實現(xiàn)了圖靈機人工智力內核的夢想,其后便是現(xiàn)代計算機40年飛速發(fā)展的時代。

現(xiàn)代計算機的第3個里程碑事件，是Intel公司對通用微處理器與嵌入式處理器的探索。Intel是同時從事通用微處理器與嵌入式處理器探索并取得成功的公司。其在通用微處理器領域的貢獻眾所周知，在嵌入式處理器領域，雖然許多公司推出眾多微控制器產品，但只有Intel公司的MCS-51成為微控制器的經典體系，影響至今。

Intel公司最后一個仍可稱之為里程碑事件的行為，是MCS-51的開放與割舍。有人為Intel公司對MCS-51的割舍感到惋息，實際上這卻是Intel公司的英明之舉。事實證明，在放棄MCS-51后，Intel公司在通用微處理器領域迅速取得成功，并壟斷了全球的PC機市場。

從圖靈機到微處理器，從微處理器到通用處理器與嵌入式處理器兩大分支，現(xiàn)代計算機有其自身的發(fā)展規(guī)律。從圖靈機到電子計算機，完成了圖靈機的理論探索，微處理器誕生后才找到實用化的理想道路。微處理器誕生后，迅速形成兩大分支的發(fā)展態(tài)勢，使現(xiàn)代計算機開始了蓬勃的發(fā)展道路。如果Intel公司當年不放棄MCS-51，專注于通用微處理器，也許無法擊退競爭對手AMD，MCS-51也不會迅速成長為80C51公共主流系列。Intel的貢獻使人類社會受益。

2　嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史

嵌入式系統(tǒng)這一詞語被頻繁使用還是20世紀90年代的事。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史應從微控制器誕生講起，因為嵌入式系統(tǒng)主要是微控制器系統(tǒng)。

除了智慧、內核、集群等基本特點外，微控制器還有單機形態(tài)、嵌入方式、對物理對象的感知與控制等應用上的特點。了解這些特點有助于理解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史。

從應用的視角，可以用粗略的線條將40年微控制器的發(fā)展史劃分為3個大的時代，即單片機時代、嵌入式系統(tǒng)時代、物聯(lián)網時代。

2.1單片機時代

在微控制器誕生后最初的20年，是微控制器的單片機時代。微控制器誕生后，迅速進入電子技術領域，成為傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造的利器。電子工程師是微控制器應用的主流群體，他們習慣性地將微控制器看成是單個芯片的智能器件，稱之為單片機(單片微控制器或單片微型計算機)。事實上，在傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造中，所有單片機都體現(xiàn)為嵌入式應用。這一時期，由于電子工程師單打獨斗，缺乏計算機的理論基礎與計算機工程方法，微控制器也較原始，工程師應用開發(fā)水平不高，主要是匯編級的軟件編程，很少使用操作系統(tǒng)。

2.2嵌入式系統(tǒng)時代

從20世紀90年代中期開始，微控制器應用進入到嵌入式系統(tǒng)時代。隨著傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造日漸火爆，眾多計算機界人士開始介入單片機領域。由于計算機人士的不斷增多，高級語言、操作系統(tǒng)、集成開發(fā)環(huán)境、計算機工程方法逐漸普及。計算機界人士不習慣“單片機”稱謂，更愿意使用嵌入式系統(tǒng)一詞，致使“嵌入式系統(tǒng)”稱謂流行至今，可以看出，嵌入式系統(tǒng)時代是電子技術與計算機技術交叉融合的發(fā)展時代。此后，人們習慣性地將微控制器系統(tǒng)稱作嵌入式系統(tǒng)，有些業(yè)內專家認為“單片機”片面突出單片形態(tài)，“嵌入式系統(tǒng)”片面突出嵌入式應用，建議改名為智能電子系統(tǒng)，但智能系統(tǒng)又易于與產品系統(tǒng)混淆。

2.3物聯(lián)網時代

在經歷了20年的單片機時代、近15年的嵌入式系統(tǒng)時代后，微控制器及其應用技術日趨成熟。嵌入式系統(tǒng)經歷了單機物聯(lián)、分布式物聯(lián)、總線物聯(lián)、局域物聯(lián)網，將互聯(lián)網推進到物聯(lián)網后，嵌入式系統(tǒng)便從以往的獨立產業(yè)進入到物聯(lián)網的應用服務時代。嵌入式系統(tǒng)成為物聯(lián)網、大數據、云計算等大科技中的一個成員。

3　Intel對微控制器的貢獻

微控制器與通用計算機都源于微處理器，但它們的體系結構和演化道路卻截然不同。通用計算機完全在通用微處理器的演化道路上前行；微控制器則經歷了探索、完善、百花齊放、產業(yè)轉型4個發(fā)展階段。與此同時出現(xiàn)了微控制器(Microcontroller Unit)、嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)的演化歷程。

3.1微控制器的探索

最早的微控制器探索，應該是1974年仙童半導體公司的F8系列。F8并非單片形態(tài)，它是由8位CPU與3851(1 KB ROM、定時/計數器和兩個并行I/O口)兩個芯片構成，確立了微控制器數據存儲器與程序存儲器分開的哈佛結構。由于此時的仙童公司處于低谷時期，F(xiàn)8系列沒有得到進一步完善。

其后，眾多的半導體廠家開始了微控制器的探索,其主導思想是單芯片的內核化探索，即在微處理基礎上，設計出用于智能化控制的單芯片計算機。這一時期出現(xiàn)了兩種不同的探索道路，即與通用微處理器兼容的嵌入式微處理器和獨創(chuàng)的單片微控制器。

與通用微處理兼容的嵌入式微處理器的典型代表是1978年Motorola公司推出的6801系列。6801與通用微處理器MC6800兼容，它將MC6800系列的6800(CPU)+6875時鐘+6810(128 B RAM)+2×6830(1 KB ROM)+1/2并行I/O 口6821+1/3(定時/計數器)+6805(串行I/O口)整合成一個可以用于控制的單芯片微型計算機。

1976年，富有創(chuàng)造精神的Intel公司獨辟蹊徑，開始了全新體系結構的單芯片微控制器的探索，推出了MCS-48系列。在獲得成功后，迅速完善到MCS-51，使其成為微控制器的經典體系結構。

3.2微控制器完善至經典體系

在探索階段，仙童公司的F8后繼無力，Motorola公司的6801系列并不理想，具有全新微控制器體系結構的MCS-48獲得成功后迅速完善到MCS-51，確立了用于智能化控制的單芯片專用體系結構。在這個專用體系結構中，采用了數據空間與程序空間獨立的哈佛結構。哈佛結構保證了被固化的軟件不受病毒侵襲；完善了總線結構，包括內部16位尋址的兩個獨立空間的8位并行總線，以及用于外部通信的串行通信總線、用于外部擴展的并行總線、用于外部交互的I/O端口；完善了用于控制的指令系統(tǒng)，突出了控制功能，增加了位操作指令；所有功能單元，包括后續(xù)可能擴展的功能單元，采取了特殊功能寄存器SFR的集中管理模式，方便了微控制器外部系統(tǒng)配置與系統(tǒng)擴展的應用要求。

圖1描述了MCS-51微控制器系統(tǒng)的經典體系結構。

圖1　MCS-51微控制器系統(tǒng)的體系結構

微控制器是在嵌入式微處理器基礎上，在內部總線支持下，通過外圍功能單元擴展而成，SoC化是其主要發(fā)展趨勢。微控制器有4個與外部交互的接口通道：前向通道、后向通道與物理對象相連，是物理對象感知與控制的交互接口；交互通道，是實現(xiàn)人-機交互的接口；信息通道，是與其他應用系統(tǒng)交互的通信接口，用于實現(xiàn)微控制器的多機通信。

3.3完善了微控制器的應用環(huán)境

MCS-51問世后，不僅為用戶提供了完善的體系結構，而且還提供了完善的應用環(huán)境。Intel為用戶提供的應用環(huán)境有：滿足不同應用的3種供應狀態(tài)，即程序指令的掩膜狀態(tài)、ROM燒寫狀態(tài)與EPROM燒寫狀態(tài)；用于產品開發(fā)的ICE在線仿真器(ICE-51)；用于匯編語言程序設計的宏匯編ASM-51；用于用戶程序管理的實時任務操作系統(tǒng)iRMX-51。另外，為適應分布式多機系統(tǒng)通信需要，還衍生出具有位總線(BIT BUS)的RUPI-44系列(8051+串行通信接口單元，支持HDLC/SDLC協(xié)議)微控制器。

這些優(yōu)異的應用環(huán)境使電子工程師們能迅速從傳統(tǒng)電子系統(tǒng)時代邁進智能電子時代。

4　微控制器的進化歷程

Intel公司在完善了MCS-51后，錯誤地認為應該向16位微控制器進軍，便和著名的電器商Philips公司合作，探索16位微控制器。由于理念上的差異，導致兩者分道揚鑣。Intel公司推出了16位微控制器MCS-96；Philips公司為滿足智能化電器產品的應用需求，著力于提高MCS-51應用水平。分手后，Intel公司同意向Philips公司免費開放MCS-51，受免費開放政策影響，眾多半導體公司參與到MCS-51體系結構深度開發(fā)中，將MCS-51推進到眾多半導體公司參與開發(fā)的80C51時代。

80C51時代中有幾件值得提及的大事件，即Philips等公司大力提升微控制器功能，Atmel公司將微控制器推進至Flash ROM時代，以及20世紀末Cygnal公司對80C51脫胎換骨的改造。

4.1半導體廠家大力提升微控制器功能

半導體廠家在推動80C51不斷進化中，主要完成的重大工作有：滿足嵌入式應用要求的眾多外圍功能集成，如WDT、PWM、ADC、高速I/O口、計數器捕捉/比較等；滿足系統(tǒng)中芯片擴展的串行擴展總線，如目前大量使用的Philips公司的I2C總線、Motorola公司的SPI以及Dallas公司的單總線1-Wire總線;滿足微控制器應用系統(tǒng)集群的德國BOSCH公司的CAN總線以及其他現(xiàn)場總線等。

4.2Atmel公司微控制器的Flash ROM時代

Atmel公司用Flash ROM作為程序存儲器推出的89C51系列，為眾多嵌入式應用系統(tǒng)開發(fā)提供了一種靈活、高效、價廉的方案，將80C51推進到Flash ROM時代。

89C51起源于我國原電子工業(yè)部的北京集成電路設計中心，他們在設計國產化80C51單片機后，尋找產業(yè)化合作伙伴時，Atmel公司主動提出將Flash ROM植入國產的80C51中，并更名為89C51，產權為雙方共有。在中國大陸89C51最初的品牌不是AT89C51，而是由北京集成電路設計中心冠名。后來由于經營不善，北京集成電路設計中心放棄了89C51之后，才改名為AT89C51，被Atmel公司獨有。

4.3Cygnal對80C51的全面革新

20世紀末，Cygnal公司對80C51體系結構進行了徹底改造，使之成為頂尖的8位微控制器C8051F系列，使80C51進入到又一個新的輝煌時代。Cygnal公司對80C51體系結構的改造有：

① 對80C51 CPU內核實施改造，實行指令運行的流水作業(yè)，使指令運行速度提高到原來的12倍，成為8位高速微控制器；

② 設置用戶可配置的交叉開關，使I/O接口從功能固定方式提升至可隨意選擇的功能設置；

③ 從單一固定系統(tǒng)時鐘到可編程選擇的時鐘系統(tǒng)，使微控制器在運行過程中可隨意選擇時鐘狀態(tài)；

④ 從傳統(tǒng)的仿真調試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調試，并為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能；

⑤ 把80C51單一的外部復位發(fā)展成多源復位系統(tǒng)，如上電復位、掉電復位、外部引腳復位、軟件復位、時鐘檢測復位、比較器0復位、WDT復位和引腳配置復位等；

⑥ 有最小功耗系統(tǒng)設計的最佳技術支持，如降低供電電壓(從5 V到3 V)、時鐘系統(tǒng)可任意選擇、復位系統(tǒng)可隨意喚醒來靈活設置低功耗模式。

4.4從80C51到ARM的產業(yè)變革

21世紀初，微控制器領域的一個重大事件是從80C51主流系列到ARM主流系列的變遷。究其原因，除了嵌入式高端需求拉動的技術因素外，產業(yè)變革是一個重要的內在因素。此前，所有從事微控制器的半導體廠家都是實體產業(yè)公司，都有自己的微控制器設計團隊，設計與生產自己公司的微控制器，從而形成了百花齊放的微控制器產業(yè)發(fā)展趨勢。

而ARM公司一反傳統(tǒng)的微控制器產業(yè)模式，從公司成立之初，便摒棄實體產業(yè)，專注發(fā)展微處理器知識產權，即只專注于發(fā)展微處理器技術，不從事微處理器生產，從而成為雄據眾多半導體之上的上游產業(yè)。先進技術水平的ARM系列與上游產業(yè)的優(yōu)勢吸引了眾多的半導體廠家，他們紛紛在ARM公司授權的ARM系列架構基礎上生產本公司的微控制器。

ARM系列大量使用后，由于成本下降，不斷侵蝕80C51的原有領域，80C51逐漸失去微控制器應用系統(tǒng)的主流地位。

在ARM系列不斷侵蝕80C51原有領域時，并不代表80C51末日到來。在無限大的嵌入式系統(tǒng)應用領域中，80C51另辟蹊徑，轉戰(zhàn)智能器件領域。

今天，智能傳感器、無線收發(fā)器件領域，已成為80C51的主流陣地。

[1] 蘇偉斌.INTEL八位單位機的發(fā)展與現(xiàn)狀[C]//第三屆全國單片機學術交流會論文集,1990:1.

[2] 梁合慶.單片微機發(fā)展趨勢[C]//1996年全國單片微機學術交流會論文集,1996:4.

[3] 何立民.從Cygnal C8051F看8位單片機發(fā)展之路[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2002(5).

(責任編輯：薛士然2015-10-24)