嵌入式系統支柱學(xué)科的交叉與融合

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(見(jiàn)圖1)。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。

圖2  嵌入式系統四個(gè)支柱學(xué)科的交叉與融合

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)。

　　在嵌入式系統中，計算機學(xué)科要承擔起嵌入式系統應用平臺的構建任務(wù)，它包括嵌入式系統的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、計算機工程方法、編程語(yǔ)言、程序設計方法等內容。

2．4 廣泛服務(wù)的電子技術(shù)學(xué)科

　　在嵌入式系統中，電子技術(shù)學(xué)科提供了最廣泛的技術(shù)服務(wù)。電子技術(shù)將微電子領(lǐng)域的集成電路設計，迅速從電路集成、功能集成、技術(shù)集成發(fā)展到知識集成；為計算機學(xué)科提供嵌入式系統的硬件設計技術(shù)支持；在對象學(xué)科中，廣大的應用工程師在嵌入式軟硬件平臺上實(shí)現最廣泛的應用。

2．5 對象學(xué)科的最終出路
　　對象學(xué)科是嵌入式系統的最終用戶(hù)學(xué)科。對象學(xué)科幾乎囊括了所有的科技領(lǐng)域，形成了嵌入式系統一個(gè)無(wú)限大的應用領(lǐng)域。至今，嵌入式系統行家不再會(huì )回答“嵌入式系統用在什么地方?”這樣的問(wèn)題。對于對象學(xué)科來(lái)說(shuō)，嵌入式系統只是一個(gè)智能化的工具，對象學(xué)科要在嵌入式系統上構建本領(lǐng)域的一個(gè)嵌入式應用系統。嵌入式應用系統的技術(shù)基礎是本學(xué)科的基礎理論與應用環(huán)境、應用要求。同時(shí)，在應用中要不斷給微電子、集成電路設計、嵌入式計算機學(xué)科提出技術(shù)要求，以便不斷提升嵌入式系統平臺的技術(shù)水平。

3 平臺模式下的學(xué)科分工

　　平臺模式是知識經(jīng)濟時(shí)代產(chǎn)業(yè)、科技的基本發(fā)展模式，所有的知識創(chuàng )新與創(chuàng )新知識應用都要走平臺化發(fā)展道路。

3．1 平臺模式的由來(lái)
　　平臺模式是知識經(jīng)濟時(shí)代的一種基本的產(chǎn)業(yè)、科技模式，是人類(lèi)知識分離性規律、集成性規律發(fā)展到高級階段上的必然現象。它將一體化的產(chǎn)業(yè)、科技模式變革為知識平臺媒介下的平臺模式。只要對比上世紀60年代收音機產(chǎn)業(yè)與90年代的VCD／DVD產(chǎn)業(yè)，就會(huì )發(fā)現一體化產(chǎn)業(yè)模式與平臺產(chǎn)業(yè)模式的本質(zhì)差異。

　　上世紀60年代收音機行業(yè)中的所有企業(yè)，無(wú)一例外地都承擔起從創(chuàng )意、產(chǎn)品研發(fā)、樣機設計、樣機生產(chǎn)、批量投產(chǎn)的全過(guò)程，遵循著(zhù)封閉的一體化產(chǎn)業(yè)模式。到了90年代的VCD／DVD時(shí)代，出現了半導體廠(chǎng)家與鄉鎮企業(yè)社會(huì )化分工的產(chǎn)業(yè)模式：半導體廠(chǎng)家將VCD／DVD創(chuàng )意轉化成VCD／DVD的軟硬件套件，鄉鎮企業(yè)購買(mǎi)VCD／DVD的軟硬件套件，并在半導體廠(chǎng)家的技術(shù)支持下實(shí)現VCD／DVD機的大批量生產(chǎn)。半導體廠(chǎng)家絕不生產(chǎn)VCD／DVD機，鄉鎮企業(yè)絕不從事VCD／DVD的技術(shù)研究。VCD／DVD的軟硬件套件就是VCD／DVD技術(shù)的知識平臺。以知識平臺為中心，實(shí)現了知識產(chǎn)業(yè)與制造產(chǎn)業(yè)的社會(huì )化分工。知識產(chǎn)業(yè)從事知識創(chuàng )新，將知識創(chuàng )新成果轉化為知識平臺，不從事知識成果的最終應用；制造產(chǎn)業(yè)則在知識平臺基礎上完成創(chuàng )新成果的最終應用。

3．2 嵌入式系統的平臺模式
　　按照知識的分離性發(fā)展規律，知識創(chuàng )新者不從事知識應用，知識應用者不需要了解創(chuàng )新知識原理；按照集成性發(fā)展規律要求，知識創(chuàng )新者應該將創(chuàng )新知識成果集成到工具之中，轉化為知識平臺，知識應用者應該在知識平臺基礎上實(shí)現創(chuàng )新知識應用。

　　在早期的嵌入式系統中，集成電路芯片(單片機和外圍電路)、開(kāi)發(fā)裝置是半導體廠(chǎng)家提供給用戶(hù)的應用平臺，對象領(lǐng)域的電子工程師在這樣的平臺上完成嵌入式系統的應用。當前，在四個(gè)支柱學(xué)科支持下的嵌入式系統，必然形成一個(gè)按平臺模式分工發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、科研生態(tài)系統。

　　對象學(xué)科領(lǐng)域是嵌入式系統的最終用戶(hù)，對象學(xué)科領(lǐng)域的電子技術(shù)應用工程師應該在一個(gè)現成的嵌入式系統平臺上實(shí)現嵌入式應用系統設計。

　　微電子學(xué)科、嵌入式計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科(非對象學(xué)科領(lǐng)域中的應用工程師)不是嵌入式系統最終用戶(hù)，這些學(xué)科的重要任務(wù)是將創(chuàng )新科技成果轉化成形形色色的知識平臺，如微電子領(lǐng)域的集成電路提供先進(jìn)的MCU、外圍芯片、SoC等IC平臺；嵌入式計算機學(xué)科提供集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、編程語(yǔ)言、算法、計算機工程方法平臺；電子工程師與微電子設計、嵌入式計算機學(xué)科、OEM廠(chǎng)家配合，完成嵌入式系統的產(chǎn)品平臺，以及產(chǎn)品平臺的技術(shù)服務(wù)。

　　從平臺觀(guān)念出發(fā)，一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式系統產(chǎn)品，必須在一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式系統平臺基礎上開(kāi)發(fā)。

3．3 平臺模式下的學(xué)科定位與分工
　　由于嵌入式系統有四個(gè)支柱學(xué)科的跨學(xué)科特點(diǎn)，每個(gè)學(xué)科在嵌入式系統中都會(huì )體現出它的優(yōu)勢與弱勢，因此，嵌人式系統中有一個(gè)學(xué)科定位與交叉融合問(wèn)題。“學(xué)科定位”體現在每個(gè)學(xué)科利用自己的學(xué)科優(yōu)勢，在自己的學(xué)科基礎上，介入嵌入式系統的發(fā)展；“交叉融合”是在學(xué)科定位的基礎上，不斷了解其他學(xué)科對嵌入式系統的技術(shù)發(fā)展要求，以便為嵌入式系統構筑最佳的知識平臺，實(shí)現最佳的嵌入式系統應用。

　　由于各學(xué)科的交叉融合，每個(gè)學(xué)科的團隊建設，應在自身學(xué)科基礎上，吸收一定比例的其他學(xué)科人員。例如近年來(lái)，在集成電路設計領(lǐng)域吸收了不少嵌入式應用系統設計人才；在高等學(xué)校計算機學(xué)院設立嵌入式系統專(zhuān)業(yè)時(shí)，引進(jìn)了許多對象領(lǐng)域中的嵌入式系統的應用型人才。

　　嵌入式系統中四個(gè)支柱學(xué)科的定位，除了學(xué)科知識結構的定位外，還要體現出在知識平臺模式中的定位。這種平臺模式的定位，是一種3+1的定位。即微電子學(xué)科、計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科為嵌入式應用構筑各種類(lèi)型的應用平臺，不介入嵌入式系統的具體應用；對象學(xué)科一定要在嵌入式系統應用平臺基礎上，實(shí)現嵌入式系統在本學(xué)科領(lǐng)域中的產(chǎn)品化應用，不必介入嵌入式系統的平臺構建。例如，就嵌入式操作系統而言，操作系統的構建應該定位在計算機學(xué)科領(lǐng)域，但是要構建一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式操作系統，必須了解嵌入式的應用特點(diǎn)與應用環(huán)境，同時(shí)能夠預見(jiàn)未來(lái)的MCU芯片中的固件化趨勢；在對象領(lǐng)域中，把操作系統視為工具，只須了解操作系統性能與應用界面；微電子技術(shù)專(zhuān)家要了解嵌入式操作系統與應用軟件特點(diǎn)，以便芯片技術(shù)到達一定階段后，納入集成電路設計中。

　　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，關(guān)鍵是把握好自己的“定位”與“分工”，了解學(xué)科的“交叉”與“融合”。