從現代計算機視角看嵌入式系統(1)——嵌入式系統與現代計算機

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從現代計算機視角看嵌入式系統(1)
——嵌入式系統與現代計算機

北京航空航天大學 何立民

過去，我們都是孤立地研究通用計算機發展史與嵌入式系統發展史，如今可以從現代計算機的統一發展史，來研究通用計算機與嵌入式系統的發展史。通用計算機與嵌入式系統是現代計算機的兩大分支，它們的源頭是圖靈計算機思想，基礎是微處理器。微處理器的兩大分支衍生出通用微處理器基礎上的通用計算機與嵌入式處理器基礎上的微控制器(即嵌入式系統)。

嵌入式處理器、微控制器、單片機、嵌入式系統，它們本質相同，都源于微處理器，是微處理器的一個分支，具有智力控制、單片形態、嵌入式應用等特征。在不同時期，突出不同特征時，形成了不同的稱謂。

嵌入式系統發展史，上溯至圖靈機，下連現代計算機與通用計算機。因為圖靈機奠定了微處理器的人工智能結構體系?，F代計算機是微處理器基礎上的人工智能機，通用計算機與嵌入式系統是現代計算機的一對孿生兄弟。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)。前者構成了通用計算機，后者成為嵌入式應用的嵌入式系統。

通用計算機用于實現人類智力仿真，嵌入式系統用于人類工具的智能化，從而導致它們在體系結構、技術內涵、應用方式、發展方向上不可兼容。

至今，嵌入式系統還沒有明確的定義。本文嘗試對現代計算機和嵌入式系統加以定義，在明確定義的基礎上討論嵌入式系統。

1什么是現代計算機？

談到計算機，許多人會想到“計算機器”，并上溯到人類歷史上的計算工具，如算盤、手搖計算器、模擬計算機等。實際上，我們今天普遍使用的計算機與這些計算機并無任何瓜葛。計算機的源頭，是20世紀30年代的圖靈機，因此，嚴格來說，計算機不是數值計算機，而是人工智能機，故稱它為現代計算機。

將人工智能與“計算”聯姻，是20世紀30年代圖靈學者們的最大功績。一切事物皆可計算的“可計算原理”奠定了現代計算機軟硬件的理論基礎，圖靈機模型成為現代計算機最原始的體系結構。

圖靈機30年的超前思想，并未給圖靈帶來應有的榮譽，他生前未能看到圖靈機的實用化成果，因為當時的電子器件無法構成完善、可靠的圖靈機。1946年的電子管計算機、1956年的晶體管計算機，雖然驗證了圖靈機的思想，但離人工智能機的智力仿真與工具智能化的夢想仍十分遙遠。智力仿真的計算機系統，應該是普通價位的桌面系統；智能化工具的計算機系統應該是具有極低價位、微小體積的嵌入式系統。1946年誕生的第一臺電子計算機ENIAC，使用了18 000個電子管，占地167 m2、重30噸、耗電160 kW；1959年，IBM公司又生產出全部晶體管化的電子計算機IBM7090，成為當時的巨型機。它們都無法實現人類智力仿真與工具智能化的夢想，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。集成電路的一個奇跡是1971年誕生的微處理器Intel 4004，一顆米粒大小的芯片內核竟然與占地167 m2、重30噸、耗電160kW的第一臺電子計算機ENIAC功能相同，表明在集成電路基礎上，圖靈機有可能完成從人工智能機模型到人工智力內核的最終轉變。

如果說圖靈機只是人工智能機的一個概念模型，微處理器則是一個完善的歸一化智力內核。如果說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，宣告人類正式進入到微處理器基礎上的現代計算機時代。

微處理器是人工智能機的智力內核，它既要滿足智力仿真，又要滿足人類工具智能化的夢想。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上的通用計算機與嵌入式處理器基礎上的嵌入式系統。由于智力仿真與工具智能化的目標不同，開始了通用計算機與嵌入式系統南轅北轍的發展道路。形態上，通用計算機迅速演化成桌面系統；嵌入式系統則堅持走極低價位、微小體積的單芯片系統道路。體系結構上，通用計算機軟硬件分離；嵌入式系統軟硬件一體化，軟件固化在程序存儲器中。技術發展方向上，通用計算機以高速、海量數值計算為主，并配以相應的外部設備；嵌入式系統著力開發控制功能，發展相應的控制模塊與接口技術，并不斷將它們集成到芯片中。應用方式上，通用計算機以桌面方式實現人類智力仿真；嵌入式系統則嵌入到對象(工具)體系中，實現對象體系的智能化。

由此可知，通用計算機系統與嵌入式系統，是現代計算機的兩大分支，也是微處理器基礎上的一對孿生兄弟。雖是孿生兄弟，卻差異很大，發展方向也是南轅北轍。

2什么是嵌入式系統？

嵌入式系統源于微處理器，有著40年的復雜演化歷程。20世紀90年代末，“嵌入式系統”一詞才開始流行。在嵌入式系統業界看來，嵌入式系統從來就是一個模糊概念，也無人給它以確切的定義。記得1999年在杭州舉行的全國單片機學術會議上，有人建議將單片機改成嵌入式系統，引來了巨大的紛爭。即便是“嵌入”兩字，也出現了“in”和“to”之爭。20世紀90年代末，“嵌入式系統”一詞才開始流行，由此造成了人們對“嵌入式系統”認識上的模糊。

目前被廣泛引用的嵌入式系統定義，并不是業界的定義。根據IEEE(國際電機工程師協會)的定義，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。從中可以看出，嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，適用于系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。顯然這只是對嵌入式系統的描述，而非定義。首先，在這個定義中沒有明確的“非它莫屬”的邊界條件，因為在許多傳統電子系統中，控制、監視或者輔助機器和設備運行的裝置并不是嵌入式系統。另外，“專用計算機系統”的說法容易混淆嵌入式系統與通用計算機系統的本質差異。

嵌入式系統本質上是智能控制機，因此，可以將嵌入式系統簡單地定義成“嵌入到對象體系中，以實現對象體系智能化控制的一個智力內核”。這個智力內核的最初形態，是誕生于1976年的嵌入式處理器，后經系統配置、接口技術的不斷集成與演化，經歷了傳統電子系統智能化改造的單片機時代，電子技術、計算機技術、通信技術交叉融合的嵌入式系統時代，以及物聯網、云計算、大數據大科技的嵌入式系統服務時代。40年來，盡管嵌入式系統本身及其服務領域產生了巨大的變化，但嵌入式系統的“智力內核”、“對象嵌入”、“智能控制”的三大特征依然不變。

把嵌入式系統看成是一個通用智力內核，是因為它不是一個產品系統，而是構成智能產品系統中的一個通用智力核心。我們可以看到，許多不相干的智能化產品中都有相同或相似的微控制器內核，把嵌入式系統看成是一個通用智力內核的嵌入式應用，才有了嵌入式系統的集成開發環境、嵌入式技術等說法。

3三位一體的嵌入式系統

嵌入式系統誕生于20世紀70年代，“嵌入式系統”一詞卻出現在90年代，這似乎是一個十分奇特的現象。

嵌入式系統的源頭是誕生于1976年的微控制器，“單片、嵌入、控制”是嵌入式系統的本質特點，因此，“微控制器”、“單片機”、“嵌入式系統”是嵌入式系統的3個真身。至今，不少人在不同領域都同時在使用這3個名詞，也多多少少地代表了某個時代的特征。

1972年8位微處理器8008誕生，引發了通用微處理器與嵌入式處理器應用熱潮。在通用微處理器領域，1973年，Intel推出了8088，1981年IBM在它的基礎上推出了第一代通用計算機，即IBM-PC；在嵌入式處理器領域，則呈現出了微控制器的百花齊放態勢，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問世后，開始了嵌入式系統20年之久的單片機時代。

20多年前，將嵌入式系統看成是單片機是有道理的。它首先將“現代計算機系統”以單芯片方式展現給世人，人們以單片機為核心，構成最小系統，嵌入到對象體系中，實現對象體系的智能化控制。當時流行過“Single Chip Microcomputer”或“Single Chip Microcontroller”詞語，中文則直譯為“單片機”。另外，此時單片機技術主要流行于對象領域，用于傳統電子系統的智能化改造，從事單片機應用的主要群體是電子工程師，與傳統的分離電子器件相比，他們更青睞于“單片機”的概念。然而，單片形態只描述了嵌入式系統單芯片的形態特點，無法表達嵌入式系統“智能控制”、“嵌入式應用方式”等諸多特點，于是又有了“MCU(Micro Controller Unit)”、“Embedded System”這些名詞術語。

進入21世紀后，“單片機”用語逐漸衰退，代之以“嵌入式系統”也是有道理的。因為這時傳統電子系統的智能化改造基本完成，即將進入到一個智能電子系統的創新時代，電子工程師已力不從心，急需計算機工程技術的介入，如操作系統、高級語言、集成開發環境、計算機工程方法等；后PC時代，單片機應用的巨大市場也在吸引眾多的計算機界人士，計算機界人士進入單片機領域后，他們更愿意使用“嵌入式系統”一詞。從某種意義上講，“嵌入式系統”意味著單片機進入到電子技術、計算機技術、通信技術的交叉融合時代?！皢纹瑱C”只突出單片形態，而“嵌入式系統”只描述了嵌入式應用特征，沒有全面表現嵌入式系統的智能化控制特征。因此，有人建議將它改稱為“智能電子系統”，但智能電子系統易與產品系統相混淆，因為嵌入式系統是一個通用智力內核，并不是一個最終的產品系統。

4嵌入式系統的基本特點

嵌入式系統的基本特點是單片、嵌入與智能化控制，也是實現工具智能化的3個基本要求。

單芯片形態是嵌入式系統固守的形態特征。從最早的MCS-48到MCS-51的完善，隨后的80C51的功能擴展、總線配置，到如今的多核系統，無不遵循SoC的最大

化發展模式。在嵌入式系統的技術發展道路上，眾多前沿技術早期往往都是MCU的外圍擴展電路，但最終都會進入MCU片內，如早期的ADC、DAC、程序存儲器、數據存儲器，以及后來的實時時鐘、時鐘系統、信號調理、網絡接口、多機總線等。單芯片形態既有利于提高系統的整體可靠性，又可極大程度降低系統成本。

嵌入式應用，突出了它的應用方式與應用特點。嵌入式系統作為一個智力內核，通常都要嵌入到對象系統中以實現對象系統的智能化。早期，傳統電子系統智能改造時期，這一特點十分明顯，老百姓將嵌有單片機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、微波爐等)。后來，出現了許多創新型智能化電子系統(如MP3、PDA、智能手機、iPod等)，其嵌入對象并不明顯，以至于有人混淆了嵌入式系統與產品系統的界線。例如，所有智能手機廠家，盡管手機產品各異，但它們都有相同或相似的產品平臺，許多手機廠家在聯發科的MTK手機平臺上開發出形形色色的手機型號。這一切都表明，嵌入式系統不是一個產品系統。

智能化控制，表明所有智能化工具都有相似的、相對獨立的智能化控制單元，這個智能化控制單元就是嵌入式系統。

參考文獻

[1] 何立民.嵌入式系統的定義與發展歷史[J] .單片機與嵌入式系統應用,2004(1).

[2] 何立民.從嵌入式系統看現代計算機產業革命[J] .單片機與嵌入式系統應用,2008(1).

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

安森美半導體加快物聯網邊緣設備創新

安森美半導體(ON Semiconductor)，將重點圍繞Intel Quark處理器系列，用于一系列寬廣的物聯網(IoT)應用。擴展Intel Quark處理器至物聯網，延伸了智能計算至要求低功耗的新系列器件，可應用于傳感器輸入和數據驅動。Intel Quark處理器為物聯網提供靈活的、低功耗計算，用于一系列寬廣的小外形應用，為下一波智能物聯網提供低成本連接、集成和兼容性。

安森美半導體結合Intel Quark處理器及公司的電機驅動和領先業界的電源管理方案，以及廣博的電機控制算法知識，為無刷直流(BLDC)和交流變頻電機實現直接轉矩控制的空間矢量調制(DTC-SVM)電機控制平臺。該平臺配以安森美半導體的智能功率模塊(IPM)，采用Intel Quark微控制器D1000，支持低速和高轉矩的高動態性能，顯著減少開關損耗，并大大縮短延遲。

安森美半導體公司策略及營銷副總裁David Somo說：“我們與Intel的合作，已加快系統架構的進展，并提升用于一系列應用的電機控制方案的整體性能。Intel的IA架構涵蓋了邊緣到云計算系列，并受惠于全面的開發工具生態系統，可簡化和加速客戶的開發工作?！?/p>

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-09-23)