基于嵌入式系統及其平臺下學(xué)科分工的系統研究

嵌入式系統是一個(gè)無(wú)限大的空間，不論是嵌入式系統平臺構建還是嵌入式系統平臺應用，都有無(wú)限廣闊的發(fā)展空間，本文主要介紹嵌入式系統的發(fā)展歷程、支柱學(xué)科，以及嵌入式平臺下的學(xué)科分工。

1、嵌入式系統簡(jiǎn)史

1.1 嵌入式系統的誕生

嵌入式系統誕生于微型機時(shí)代，經(jīng)過(guò)微型計算機的嵌入式專(zhuān)用化的短暫探索后，便進(jìn)入到嵌入式系統獨立的微控制器發(fā)展時(shí)代。直接在嵌入式處理器與外圍集成電路技術(shù)基礎上發(fā)展的帶處理器內核的單片機，即微控制器的智能化電子系統。即便有處理器內核，也是嵌入式處理器而非通用微處理器。下面用圖1來(lái)解釋嵌入式系統不是專(zhuān)用計算機。

現代計算機是在微處理器基礎上誕生的微型計算機。微型機誕生后，以其小體積、低價(jià)位、高可靠性，迅速走出機房，引發(fā)了大型機電設備的智能化控制要求。要求將微型計算機嵌入到大型機電設備中，承擔起大型機電設備的智能化控制，這樣的微型計算機便成為嵌入到特定機電系統中的專(zhuān)用計算機。為了與通用計算機系統相區別，把這種專(zhuān)用計算機稱(chēng)為“嵌入式計算機系統”。從嵌入式系統概念誕生于微型機的事實(shí)出發(fā)，早期可以認為嵌入式系統是專(zhuān)用計算機系統。

1.2 專(zhuān)用計算機探索的失敗之路

嵌入式系統誕生后，為了滿(mǎn)足對象系統最廣泛的嵌入式應用要求，不斷探索嵌入式系統的應用模式，早期都是按照專(zhuān)用計算機的工控機、單板機、微機單片化的思路發(fā)展。

工控機是將微型計算機進(jìn)行機械加固、電氣加固后，作為嵌入式系統應用，無(wú)法滿(mǎn)足嵌入式系統的微小體積、極低價(jià)位、高可靠、對象耦合性好的基本要求。隨后，出現了板級狀態(tài)的微型計算機(單板機)，減小了計算機體積、降低了價(jià)位，迅速掀起了傳統電子系統的智能化改造熱潮。

無(wú)論是工控機，還是單板機，都無(wú)法徹底地滿(mǎn)足嵌入式系統的微小體積、極低價(jià)位、高可靠性的要求。人們便直接將微型計算機體系結構進(jìn)行簡(jiǎn)化，集成到一個(gè)半導體芯片中，做成單片微型計算機。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型機簡(jiǎn)化后集成的單片微型計算機。單片微型計算機徹底解決了嵌入式系統的極小體積、極低價(jià)位，但在高可靠性及對象可控性方面沒(méi)有本質(zhì)上的改進(jìn)。國外將芯片化的微型計算機稱(chēng)作Single Chip Mi-crocomputer。

作為工業(yè)控制的嵌入式應用，高可靠性、對象耦合性至關(guān)重要，它已跳出傳統計算機的應用要求。例如，嵌入式系統從一開(kāi)始就把“死機”、“實(shí)時(shí)性”作為重要的技術(shù)問(wèn)題，把與對象系統電氣連接的總線(xiàn)、接口、系統配置作為重要的技術(shù)發(fā)展方向。因此，嵌入式系統必須擺脫“專(zhuān)用計算機”的羈絆，走獨立的“微控制器”道路。實(shí)踐證明，通用微控制器基礎上的工控機、單板機、單芯片化的專(zhuān)用計算機的發(fā)展道路是行不通的。

1.3 嵌入式系統的獨立發(fā)展道路

嵌入式系統的微控制器(MCU)發(fā)展道路，是一條擺脫“專(zhuān)用計算機”羈絆，獨立發(fā)展的道路。這是一條由Intel MCS一51單片機、iDCX51實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統開(kāi)辟的單片機獨立發(fā)展的道路。MCS一51是一個(gè)在微電子學(xué)、集成電路基礎上，按照嵌入式應用要求，原創(chuàng )的嵌入式處理器。MCS一51原創(chuàng )的體系結構、控制型的指令系統與布爾空間、外部總線(xiàn)方式、特殊功能寄存器(SFR)的管理模式，奠定了嵌入式系統的硬件結構基礎iDCX51是專(zhuān)門(mén)與MCS一51單片機配置，滿(mǎn)足嵌入式應用要求原創(chuàng )的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。

MCS一51開(kāi)創(chuàng )了嵌入式系統獨立發(fā)展的單片機時(shí)代。這是一個(gè)微控制器時(shí)代，國外及時(shí)、準確地將“SingleChip Microcomputer”改稱(chēng)為“Microcontr011er Unit”。這不是文字游戲。

嵌入式系統進(jìn)入單片機發(fā)展時(shí)代，最重要的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)是，全面滿(mǎn)足嵌入式應用要求的擴展總線(xiàn)、通信總線(xiàn);軟件的實(shí)時(shí)性要求;與對象體系相連接的傳感器接口、伺服驅動(dòng)接口、人機接口與通信接口;滿(mǎn)足低功耗管理要求的時(shí)鐘系統、電源管理系統與低功耗方式;可以滿(mǎn)足多種狀態(tài)激勵的中斷系統等。

在單片機時(shí)代，嵌入式系統主要用于傳統電子系統的智能化改造，形成了半導體廠(chǎng)家與對象系統電子工程師的應用時(shí)代。更貼切地說(shuō)，單片機應用系統是一個(gè)智能化的現代電子系統。

由于嵌入式系統的廣泛應用，以及半導體集成電路供的多種支持，在嵌入式系統領(lǐng)域又出現了DSP及PLD的解決方案。DSP突出信號處理功能，與嵌入式處理器相結合，成為嵌入式系統的一個(gè)重要分支;PLD則提供了門(mén)陣列半定制的嵌入式應用系統的解決方案，并形成了SoPC、FPGA/CPLD的兩大分支。無(wú)論是哪個(gè)技術(shù)發(fā)展方向，SoC都是嵌入式應用系統的統一歸屬。當前，否定嵌入式系統的專(zhuān)用計算機概念，具有重要的現實(shí)意義。它有利于四個(gè)支柱學(xué)科在嵌入式系統中的正確定位與交叉融合。

2、嵌入式系統的四個(gè)支柱學(xué)科

目前，嵌入式系統尚未形成獨立的學(xué)科體系。從嵌入式系統的誕生、獨立的單片機發(fā)展道路、微控制器技術(shù)發(fā)展的內涵、嵌入式系統的多種解決方案來(lái)看，嵌入式系統是四個(gè)支柱學(xué)科的交叉與融合，并以平臺模式進(jìn)行學(xué)科定位與分工。

2.1 四個(gè)支柱學(xué)科的關(guān)系圖解

嵌入式系統的四個(gè)支柱學(xué)科是微電子學(xué)科、計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、對象學(xué)科，它們的關(guān)系如圖2所示。微電子學(xué)科是嵌入式系統發(fā)展的基礎，對象學(xué)科是嵌入式系統應用的歸宿學(xué)科，計算機學(xué)科與電子技術(shù)學(xué)科是嵌入式系統技術(shù)發(fā)展的重要保證。

2.2 領(lǐng)銜的微電子學(xué)科

微電子學(xué)科與半導體集成電路的領(lǐng)銜作用，在于它為嵌入式系統的應用提供了集成電路基礎。電子技術(shù)學(xué)科、計算機學(xué)科的許多重要成果，最終都會(huì )體現在集成電路中，從早期的數字電路集成，到如今的模數混合、軟/硬件結合、以IP為基礎的知識與知識行為集成。

2.3 為平臺服務(wù)的計算機學(xué)科

現代計算機出現后，在計算機學(xué)科中形成了兩大學(xué)科分支，即通用計算機學(xué)科與嵌入式計算機學(xué)科。通用計算機學(xué)科與嵌入式計算機學(xué)科有不同的技術(shù)發(fā)展方向與技術(shù)內涵。由于嵌入式計算機學(xué)科與對象學(xué)科、微電子學(xué)科緊密相關(guān)，而嵌入式計算機學(xué)科與原有計算機學(xué)科內容有較大差異，不能用通用計算機的概念來(lái)詮釋嵌入式系統，因此、嵌入式計算機要加強與微電子學(xué)科、電子學(xué)科、對象學(xué)科的溝通，共同承擔起嵌入式系統新學(xué)科的建設任務(wù)。