我與單片機和嵌入式系統20年

摘要：

本文結合筆者在中國單片機和嵌入式系統 20 年發(fā)展過(guò)程中的經(jīng)歷，回顧了其中的幾個(gè)重要技術(shù)事件，探討了中國單片機和嵌入式系統發(fā)展過(guò)程和趨勢。
關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C，中國單片機 20 年，嵌入式系統， Intel ， ARM ， Linux

　　中國單片機走過(guò)的 20 年，正是我從一個(gè)畢業(yè)不久的學(xué)生成長(cháng)和進(jìn)步的過(guò)程?；貞浲?，許多的感受和經(jīng)歷都一一浮現出來(lái)。業(yè)內專(zhuān)家學(xué)者對單片機 20 年的發(fā)展歷程有不同的劃分，有認為 80 年代是普及推廣的階段， 90 年代是廣泛應用的階段， 21 世紀是嵌入式系統發(fā)展階段，還有認為 1985 － 2000 是單片機時(shí)代， 2000 以后是嵌入式系統時(shí)代，這些都是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智都是準確和精辟的，過(guò)去的 20 年我們的確是走過(guò)了從單片機到嵌入式系統這個(gè)漫長(cháng)和多姿多彩道路。對我而言，過(guò)去的 20 年更是伴隨我走過(guò)學(xué)習－成長(cháng)－創(chuàng )業(yè)－發(fā)展道路。

Intel 領(lǐng)我步入單片機和嵌入式系統大門(mén)

　　2007 年是 Intel 嵌入式行業(yè)創(chuàng )新歷程的 30 周年， 1971Intel 發(fā)表 4040 －全世界第一微處理器，它雖然只有 2300 個(gè)晶體管，但是稱(chēng)的上是第一個(gè)可以商用的片上計算機。今天 Intel 已經(jīng)是全世界最大的半導體公司，依靠 X86 芯片主宰者 PC 和服務(wù)器市場(chǎng)，我想許多人都不會(huì )忘記 Intel 的 8051 和 8086, 前者是 8 位單片機的重要核心芯片，后者是我們 PC 的基礎，也是它們把我帶入了單片機和嵌入式的世界。我是 84 年大學(xué)畢業(yè)參加工作分配到一家研究所工作，研究所的專(zhuān)業(yè)是計算機測量和控制，開(kāi)始的時(shí)候還主要是基于小型機 PDP11 計算機， 86 年以后在我們所長(cháng)－信息和計算機專(zhuān)家莊梓新的大力推動(dòng)下，一個(gè)和 Intel 合作的引進(jìn)微型計算機和單片機項目改變了我們現狀，全新的基于 8086 的微型計算機系統和 8051 單片機開(kāi)發(fā)系統讓我們這些年輕人開(kāi)了眼界，改變了我們對計算機認識；神秘和一點(diǎn)畏懼變成喜愛(ài)，我們可以自由的打開(kāi)一臺微機，對單片和單板的編程，燒入到 EPROM 里面，看到程序執行的結果，真是非常的興奮。 87 年我參加了在 Intel 香港公司的培訓更讓我全面的了解了單片機和嵌入式微處理器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。課程安排的是非常實(shí)際和緊湊，體現了 Intel 一貫務(wù)實(shí)的作風(fēng)。第一周是關(guān)于處理器結構，指令集，中斷，內存和 I/O 訪(fǎng)問(wèn)，匯編和 8255 、 8251 等接口，試驗是安排使用 8086 和 8051 的開(kāi)發(fā)系統匯編和 PL/M 語(yǔ)言編程（ PL/M 是一個(gè)類(lèi)似 C 的高級語(yǔ)音）。第二周是講授 intel 單片機和微型機的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統 -iRMX ，它有支持 8086 ， 286 ，和后來(lái)的 386 幾個(gè)版本， iRMX 雖然有支持 8051 的版本，但是因為當時(shí) 8051 資源的限制，實(shí)際使用的不多，用戶(hù)還是以 mcs51 宏匯編和 PL/M 51 作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言， ICE51 在線(xiàn)仿真器作為 IDE 環(huán)境。需要強調的是，那個(gè)時(shí)候因為沒(méi)有片上仿真技術(shù)， ICE51 雖然功能是完善的，但是價(jià)格昂貴使得 8051 的開(kāi)發(fā)變得相對困難的多了，許多的早期用戶(hù)不得不‘摸黑'設計單片機系統（就是直接把程序代碼燒入到 EPROM 執行）通過(guò)看 LED 和示波器確定程序的執行結果。相對起來(lái)因為有了 iRMX 和 86/310 系統（ Intel 的基于 8086 單板的系統）， 8086 開(kāi)發(fā)就變得容易的多， iRMX 是一個(gè)可以稱(chēng)為 unix 的實(shí)時(shí)化的完整操作系統，你在 86/310 系統上開(kāi)發(fā)好的代碼可以從硬盤(pán)上直接啟動(dòng)，通過(guò)使用 printf （）在 CRT 看到代碼執行的結果，最后你需要代碼在 8086 單板上執行，你可以借助 ICE86 仿真器或者 EPROM 燒入。 iRMX 不能稱(chēng)為是一個(gè)嵌入式操作系統，這和 intel 當時(shí)的策略有很大的關(guān)系，因為 intel 是希望用戶(hù)更多購買(mǎi)它的系統機和單板，而不是芯片。其實(shí)在技術(shù)上包括筆者在內的一些技術(shù)人員，已經(jīng)實(shí)現了在一定的硬件配置條件下把 iRMX 移植到任何 8086 單板上，這是后話(huà)了。說(shuō)真的，以今天 Intel 和 20 年前比較，那時(shí) Intel 更像一個(gè)朝氣蓬勃的青年，才華橫溢，創(chuàng )造了許多好的產(chǎn)品和技術(shù)，比如 Multibus 和 bitbus 這兩個(gè)總線(xiàn)的技術(shù)和標準，一個(gè)是為單板機互連系統內部總線(xiàn)標準，主要是應用在以 X86 單板計算機系統里。后者是一個(gè)分布式的工業(yè)總線(xiàn)標準， Intel 還設計了基于 51 的通訊控制器 8044 （ SIU ） , 它可以支持 bitbus 協(xié)議傳輸。應該說(shuō)當年 Intel 項目對中國工業(yè)自動(dòng)化，嵌入式系統和單片機發(fā)展的貢獻是巨大的。正是因為對 Intel 的敬仰和對培養自己多年的研究所工作多年的領(lǐng)導和同事的感情，研究生畢業(yè)后后還是先選擇了一直和我們研究所合作的 Intel 計算機北京公司的工作。

　　這次香港培訓不僅讓我學(xué)到全套的單片機和微機開(kāi)發(fā)系統開(kāi)發(fā)的知識，實(shí)際操作經(jīng)驗。還讓我結識了同去參加學(xué)習的北航計算機系開(kāi)發(fā)系統實(shí)驗室主任田子均教授，和田教授相識，促使我在幾年后決定重新回到學(xué)校開(kāi)始了計算機專(zhuān)業(yè)研究生的新生活。

　　VRTX 讓我真正了解了嵌入式操作系統
學(xué)習的生活總是感覺(jué)時(shí)間很快， 90 年再次走出學(xué)校大門(mén)后，我才發(fā)現外面社會(huì )正在發(fā)生翻天覆地的變化，那時(shí)改革的浪潮正洶涌澎湃，知識分子吩咐走出大門(mén)橫向合作，下海創(chuàng )業(yè)，好是熱鬧。單片機和微處理器也由當初的 Intel 8051 和 8086 一枝獨秀，變成 Z80, 菲利普 XA ， 6800/68000 還有 TI 和 ADI 的 DSP 百花齊放。除了大名鼎鼎的臺灣 MICETEK 的單片機開(kāi)發(fā)系統外，國內的單片機和微處理器開(kāi)發(fā)系統也小有規模，當時(shí)小有名氣的是北工大 TP801 ，啟東電子廠(chǎng) 8051 和北京三環(huán)公司的 8086 仿真器。嵌入式軟件方面的發(fā)展相對慢些，主要還是匯編語(yǔ)言和逐漸為大家接受的 C 語(yǔ)言，那個(gè)時(shí)候大家多數是在用 franklin C51, 后來(lái)逐漸被 keil51 替代，當然今天又開(kāi)始轉到 IAR EW51 。

　　一次很偶然的機會(huì )，我參加一個(gè)技術(shù)研討會(huì )認識 VRTX 嵌入式操作系統和 Ready System 公司的創(chuàng )始人 Jim Ready 先生和他的銷(xiāo)售付總裁 Andre Kobel- 一個(gè)和藹，穩健和執著(zhù)的瑞士人，這件事情改變我以后的生活。今天的一些資深的工程師可能會(huì )認識的嵌入式操作系統有 Vxwork, ，少數人可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)有個(gè) psos, VRTX 大家都不了解。其實(shí) VRTX 幾乎是比它們更早一代的嵌入式操作系統（也稱(chēng)為 RTOS ），第一商業(yè)版本的 VRTX1.0 早在 1981 就發(fā)表了，在整個(gè) 80 年 VRTX 在全世界戰領(lǐng)了多數的市場(chǎng)，有超過(guò)一百萬(wàn)用戶(hù)產(chǎn)品，包括 AT&T ， Motorola,Siemens 的通訊和手機產(chǎn)品，波音，麥道和空客的飛機控制裝置。 VRTX 是一個(gè)真正意義的嵌入式操作系統，也是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統， 91 年的 VRTX 它就可以支持 68K,X86,960,sparc 等 16 、 32 位的單片機和嵌入式微處理器，精細的模塊化設計，完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境 VRTXvelocity 和 rtscope 源代碼調試器和高級語(yǔ)言的編譯，還有面向對象的設計工具 VRTXdesigner 。我被這個(gè)產(chǎn)品吸引了，當時(shí)我想這樣的軟件應該是未來(lái)中國單片機和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的方向吧。

　　幾年以后，追隨時(shí)代的浪潮我也下海了，在摸索了一段時(shí)間之后很快我把麥克泰公司的方向放在嵌入式軟件上，那么自然而然 VRTX 就是我最好的選擇。那個(gè)時(shí)候 Ready system 已經(jīng)和另外一個(gè)美國公司合并產(chǎn)品線(xiàn)更豐富了，覆蓋了嵌入式軟件從編譯－調試－仿真－操作系統一整套工具，那時(shí)我們支持最多的單片機是高檔的 80186 ， 386EX 和 motorola 的 683XX ，但是必須承認當時(shí)的市場(chǎng)還是非常的小，最初的階段從工程師到領(lǐng)導多對 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具和仿真器是認可的，但是到了嵌入式操作系統，大家只是聽(tīng)說(shuō)國外用的的很多，因為親眼看到的少，懷疑和擔心的觀(guān)點(diǎn)占了主流，那是的單片機和微處理器的處理能力，網(wǎng)絡(luò )，存儲和外設功能都無(wú)法和今天比較，所以嵌入式操作系統應用在那個(gè)年代的中國還是鳳毛麟角，直到 97 年開(kāi)始通訊產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，通訊設備制造商由于對處理能力和網(wǎng)絡(luò )的要求而大量采用嵌入式操作系統催生了國內嵌入式軟件的快速發(fā)展。記得我第一次訪(fǎng)問(wèn)華為公司觀(guān)看演示和講解的一個(gè)項目主管現在已經(jīng)公司中研的老總了，可見(jiàn)那時(shí)通訊廠(chǎng)商對嵌入式操作系統的重視?？梢宰屓酥档糜洃浀牡湫偷膰鴥鹊?VRTX 應用是 GSM 基站， ISDN 終端， SDH 光傳輸和數字程控交換機設備，飛行控制裝置，計量和測試設備等等有近百種之多。

　　VRTX 的市場(chǎng)推廣過(guò)程是艱辛和漫長(cháng)的教育過(guò)程，那時(shí)多數用戶(hù)是第一次使用 RTOS ，任何的概念和經(jīng)驗都沒(méi)有，我們只好走和學(xué)校合作的路線(xiàn)，這也讓我認識包括清華大學(xué)邵貝貝老師和最初我們的合作伙伴，成都電子科技大學(xué)的熊廣澤教授和羅蕾老師，熊老師的小組是國內最早研究嵌入式操作系統，他們幫助我們完成了 VRTX 培訓教材和十余個(gè)試驗，組織了 VRTX 培訓班，安排專(zhuān)人研究一些技術(shù)難題，這些對于今天來(lái)看可能是很容易的事情，但是 10 年前，電子科大和麥克泰所作的一切都是開(kāi)創(chuàng )性，參加我們學(xué)習班的某些學(xué)員今天已經(jīng)成為大型企業(yè)主要領(lǐng)導了。借助了電子科大的 Intel 實(shí)驗室 , 我們拿到了一定數量的 386EX 評估板，我通過(guò)游說(shuō) VRTX 美國總部，讓信產(chǎn)部電科院和電子科大成立嵌入式試驗室得到了 VRTX 的教育授權。今天滿(mǎn)眼看到書(shū)店的 ARM/Linux 教材，可惜的是，我們那本 VRTX 培訓教材沒(méi)有組織出版，只有手里 1 本留作紀念了。特別值得一體的是 386EX 這顆芯片，雖然它不是傳統意義的單片機，但是它推動(dòng) 32 位 CPU 在嵌入式系統的應用。這顆芯片更像一個(gè)通用 ARM7 SoC ，非常容易構造一個(gè)小的單片系統，只是 DRAM 的接口電路略微復雜了一點(diǎn)。 Intel 在 386EX 之后沒(méi)有新發(fā)展，將市場(chǎng)讓給了后來(lái)者 motorola, TI, 菲利普和再后面的 ARM 。雖然 Intel 后來(lái)借助 xscale 再次進(jìn)軍嵌入式系統而且取得了更輝煌的成就，但是去年 Intel 還是放棄了 xscale 無(wú)線(xiàn)和手持部分業(yè)務(wù)，再次回歸 X86 體系。和清華大學(xué)邵老師的合作起源于國內單片機新的發(fā)展，邵老師的試驗室是 motorola 單片機實(shí)驗室，那時(shí) 68XX(8 位 ),683XX(16 位 ) 和 68XXX(32 位 ) 早在北美和歐洲占領(lǐng)了大半市場(chǎng)，中國因為 Intel 先入市場(chǎng)還在起步期，得益清華的名氣，合作很順利得到 VRTX 美國方面的支持，最新的 VRTX 開(kāi)發(fā)系統 -Spetra 和 683XX/86XXX 開(kāi)發(fā)軟件 XRAY 很快就在清華的試驗室運行起來(lái)了，當然這也引來(lái)不少?lài)鴥认Ｍ褂?motorola 單片機的用戶(hù)的關(guān)注。這是一個(gè)很好的示范項目。和邵老師的認識也讓我以后結緣 jean labroose 先生，在加拿大蒙特利爾見(jiàn)面后很快建立了他的 uc/os-II 和麥克泰的業(yè)務(wù)往來(lái)。

ARM 和開(kāi)源軟件催生單片機和嵌入式系統標準化

　　自 91 年第一次參加 VRTX 研討會(huì )到公司銷(xiāo)售和服務(wù)這個(gè)產(chǎn)品結束的整個(gè)過(guò)程大約是 10 年，這 10 年也正好是中國單片機和嵌入式系統大發(fā)展的時(shí)代。在 2000 年之后，市場(chǎng)，技術(shù)和人們的思維觀(guān)念都在發(fā)生著(zhù)巨大的變化。我記得最初的由北航何立民教授召集的單片機聯(lián)誼會(huì )是在北航出版社的一個(gè)小會(huì )議室開(kāi)的十幾個(gè)人的小會(huì )，大家就單片機領(lǐng)域各自了解的情況和體會(huì )溝通和交流，后來(lái)參加的人逐漸多了，何老師開(kāi)始列了些題目讓大家準備發(fā)言和討論，到 2 － 3 年后因為參加人太多了，會(huì )議不多不以講座的形式召開(kāi)了。單片機聯(lián)誼會(huì )的經(jīng)歷過(guò)程也是國內單片機向嵌入式系統演變的過(guò)程，人們思想和觀(guān)念的變化催生了單片機向更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展，也影響和帶動(dòng)了更多的人參與和關(guān)心。今天的嵌入式軟件已經(jīng)是軟件行業(yè)的重要部分，今天的單片機和嵌入式系統已經(jīng)是計算機，電子技術(shù)，通訊技術(shù)等眾多行業(yè)的集合體。

　　ARM 和開(kāi)源嵌入式軟件的為單片機和嵌入式系統的發(fā)展起到了重要作用。在它們之前，不是沒(méi)有好的單片機，不是沒(méi)有好的嵌入式軟件和操作系統，但是沒(méi)有一個(gè)平臺可以把單片機世界的‘八國聯(lián)軍'統一到一個(gè)體系結構里面，美國 8051 和 68XX ， TI DSP ， MSP430, 歐洲的 XA,AVR ，日本瑞薩和 NEC 的體系結構和開(kāi)發(fā)工具多是各自為政，操作系統有 vrtx,vxwork,psos,nucleus, OSE ， cmx 少擇要幾千美元，多則數萬(wàn)美元。這樣的局面直到 ARM 和開(kāi)源嵌入式軟件出現后才有根本的改變。今天雖然上面的單片機還活躍在我們生活中，但是更多的廠(chǎng)家在加快推出基于 ARM 核的單片機，包括了老牌的 Ateml ,NXP( 以前的菲利普 ) ， ST, 飛思卡爾（以前的 motorola ）， TI ，三星和 Intel 的 Xscale （今天的 matvel ），還有許許多多基于 ARM 的 SoC 芯片和基于 ARM 的 FPGA ，這些 SOC 往往是一些專(zhuān)用的單片機。除了 Intel 外上面的廠(chǎng)家都保持和 ARM 緊密的合作和路線(xiàn)圖，即 ARM7-ARM9-Cortex-ARM11, 這樣的格局對于單片機的用戶(hù)是有益的，用戶(hù)將把他們的專(zhuān)注放在產(chǎn)品層面創(chuàng )新。

　　Linux 是芬蘭的學(xué)生 Linus Torvalds 1991 年寫(xiě)的一個(gè)操作系統，之后全世界數以萬(wàn)計的人們?yōu)橹暙I自己的才能和知識， Linux 不僅在服務(wù)器上取得了巨大的成功，在桌面系統逐漸成熟，更重要的是 Linux 被證明非常適合嵌入式系統。 Linux 是完全開(kāi)放的，免費的，要求的只是使用者的貢獻（ GPL 的協(xié)議）。早期的 Linux 還主要是 X86 的移植代碼， ARM 體系越來(lái)越為開(kāi)源社區更多的人士所接受， ARM 公司和其他眾多的 ARM 授權的芯片公司也積極資助開(kāi)源社區和商業(yè)企業(yè)相關(guān)項目，這些使得 ARM Linux 更加成熟，有了 Linux/GNU 的支持的 ARM 平臺，一個(gè)相對完整的單片機開(kāi)發(fā)環(huán)境就有了，價(jià)格是非常的低廉。這個(gè)平臺解決了傳統的單片機開(kāi)發(fā)系統缺少高級語(yǔ)言和操作系統，網(wǎng)絡(luò )和圖形應用開(kāi)發(fā)環(huán)境的問(wèn)題，把單片機的開(kāi)發(fā)引向了一個(gè)高起點(diǎn)。包括 ARM 中國，北航出版社，電子產(chǎn)品世界，單片機和嵌入式系統雜志，博創(chuàng )公司，周立公公司，英培特和麥克泰 , 他們通過(guò)推廣 ARM 授權培訓，圖書(shū)，文章， ARM 教學(xué)板和入門(mén)級 ARM 開(kāi)發(fā)系統為 ARM 單片機的普及鋪路搭橋。今天 ARM 單片機的書(shū)籍，開(kāi)發(fā)板和 JTAG 仿真器可以和當年的 8051 開(kāi)發(fā)系統相比擬和超越， ARM 和包括 Linux 在內的開(kāi)源軟件把我們帶入了 32 位的單片機和嵌入式系統世界。也是因為 Linux 的緣故，讓我和 Jim ready 先生以及他新創(chuàng )立的 montavista 再次攜手，把商業(yè)的嵌入式實(shí)時(shí) Linux 帶進(jìn)中國，開(kāi)始了麥克泰‘嵌入式 Linux 中國上路'的新的歷程。

　　Linux 是開(kāi)源軟件的一個(gè)杰出典范，其他的開(kāi)源和半開(kāi)源軟件包括 ecos,uc/os-II （針對教育和非商業(yè)應用）， QT(GPL 和商業(yè)授權 ) 和早期的 miniGUI , 他們對單片機和嵌入式系統的普及和推廣都也啟動(dòng)了積極的作用。

展望未來(lái)

　　中國走過(guò)了單片機從無(wú)到有的時(shí)代，我們已經(jīng)邁進(jìn)一個(gè)全新的嵌入式系統世界。單片機和嵌入式系統深深的植入了我們生活和工作當中，展望未來(lái)我們將看到的單片機是一個(gè)絢麗多姿和五彩斑斕的世界，功能強大，品種繁多，單片機將和各種電子器件，網(wǎng)絡(luò )，傳感器件結合融入到各種產(chǎn)品和裝置里面，單片機和嵌入式系統將更加智能，節能，經(jīng)濟，安全和可靠。嵌入式開(kāi)發(fā)系統和軟件將更容易使用，組件和平臺化?？傊稽c(diǎn)，單片機和嵌入式系統將邁出神秘，專(zhuān)業(yè)走向普及和大眾，人們越來(lái)越喜愛(ài)它，也越來(lái)越離不開(kāi)它。

參考資料
何小慶，電子設計技術(shù) 2003 、 8 ‘嵌入式 Linux 中國上路'

何小慶，電子產(chǎn)品世界 2005 ， 5 ‘ 選擇一個(gè) ARM CPU嵌入式操作系統 ‘

何小慶， 2006年3月上海微處理器論壇，‘嵌入式Linux軟件和工具支持SoC的發(fā)展

何小慶，電子產(chǎn)品世界 2007 ， 8 － 9 ‘ 我看嵌入式軟件知識產(chǎn)權 （上）（下）‘

Intel, 1990 ,8-bit Embedded Controlers，1992, Microcomputer Product

Intel, 2007年9月， Intel 嵌入式行業(yè)創(chuàng )新歷程的 30 周年研討會(huì )手冊

單片機和嵌入式系統應用， 2007增刊，第七界嵌入式系統和單片機學(xué)術(shù)交流會(huì )論文集

電子產(chǎn)品世界， 2007年9月，第七界嵌入式系統和單片機學(xué)術(shù)交流會(huì )手冊

何小慶 聯(lián)絡(luò )方式： 北京海淀上地 3街嘉華大廈D403 郵編100085 ，電話(huà)：62975900/13701163160

轉自《單片機與嵌入式系統應用》2008年第一期

linux操作系統文章專(zhuān)題：linux操作系統詳解（linux不再難懂）