嵌入式系統(tǒng)支柱學(xué)科的交叉與融合

1 嵌入式系統(tǒng)簡史
  1．1 嵌入式系統(tǒng)的誕生

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

    現(xiàn)代計算機(jī)是在微處理器基礎(chǔ)上誕生的微型計算機(jī)。微型機(jī)誕生后，以其小體積、低價位、高可靠性，迅速走出機(jī)房，引發(fā)了大型機(jī)電設(shè)備的智能化控制要求。要求將微型計算機(jī)嵌入到大型機(jī)電設(shè)備中，承擔(dān)起大型機(jī)電設(shè)備的智能化控制，這樣的微型計算機(jī)便成為嵌入到特定機(jī)電系統(tǒng)中的專用計算機(jī)。為了與通用計算機(jī)系統(tǒng)相區(qū)別，把這種專用計算機(jī)稱為“嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)”。從嵌入式系統(tǒng)概念誕生于微型機(jī)的事實出發(fā)，早期可以認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是專用計算機(jī)系統(tǒng)。

1．2 專用計算機(jī)探索的失敗之路
    嵌入式系統(tǒng)誕生后，為了滿足對象系統(tǒng)最廣泛的嵌入式應(yīng)用要求，不斷探索嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式，早期都是按照專用計算機(jī)的工控機(jī)、單板機(jī)、微機(jī)單片化的思路發(fā)展。

    工控機(jī)是將微型計算機(jī)進(jìn)行機(jī)械加固、電氣加固后，作為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，無法滿足嵌入式系統(tǒng)的微小體積、極低價位、高可靠、對象耦合性好的基本要求。隨后，出現(xiàn)了板級狀態(tài)的微型計算機(jī)(單板機(jī))，減小了計算機(jī)體積、降低了價位，迅速掀起了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造熱潮。

    無論是工控機(jī)，還是單板機(jī)，都無法徹底地滿足嵌入式系統(tǒng)的微小體積、極低價位、高可靠性的要求。人們便直接將微型計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，集成到一個半導(dǎo)體芯片中，做成單片微型計算機(jī)。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型機(jī)簡化后集成的單片微型計算機(jī)。單片微型計算機(jī)徹底解決了嵌入式系統(tǒng)的極小體積、極低價位，但在高可靠性及對象可控性方面沒有本質(zhì)上的改進(jìn)。國外將芯片化的微型計算機(jī)稱作Single Chip Mi—crocomputer。

    作為工業(yè)控制的嵌入式應(yīng)用，高可靠性、對象耦合性至關(guān)重要，它已跳出傳統(tǒng)計算機(jī)的應(yīng)用要求。例如，嵌入式系統(tǒng)從一開始就把“死機(jī)”、“實時性”作為重要的技術(shù)問題，把與對象系統(tǒng)電氣連接的總線、接口、系統(tǒng)配置作為重要的技術(shù)發(fā)展方向。因此，嵌入式系統(tǒng)必須擺脫“專用計算機(jī)”的羈絆，走獨立的“微控制器”道路。實踐證明，通用微控制器基礎(chǔ)上的工控機(jī)、單板機(jī)、單芯片化的專用計算機(jī)的發(fā)展道路是行不通的。

1．3 嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展道路
    嵌入式系統(tǒng)的微控制器(MCU)發(fā)展道路，是一條擺脫“專用計算機(jī)”羈絆，獨立發(fā)展的道路。這是一條由Intel MCS一51單片機(jī)、iDCX51實時多任務(wù)操作系統(tǒng)開辟的單片機(jī)獨立發(fā)展的道路。MCS一51是一個在微電子學(xué)、集成電路基礎(chǔ)上，按照嵌入式應(yīng)用要求，原創(chuàng)的嵌入式處理器。MCS一51原創(chuàng)的體系結(jié)構(gòu)、控制型的指令系統(tǒng)與布爾空間、外部總線方式、特殊功能寄存器(SFR)的管理模式，奠定了嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)iDCX51是專門與MCS一51單片機(jī)配置，滿足嵌入式應(yīng)用要求原創(chuàng)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。

    MCS一51開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機(jī)時代。這是一個微控制器時代，國外及時、準(zhǔn)確地將“SingleChip Microcomputer”改稱為“Microcontr011er Unit”。這不是文字游戲。

    嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入單片機(jī)發(fā)展時代，最重要的技術(shù)發(fā)展熱點是，全面滿足嵌入式應(yīng)用要求的擴(kuò)展總線、通信總線；軟件的實時性要求；與對象體系相連接的傳感器接口、伺服驅(qū)動接口、人機(jī)接口與通信接口；滿足低功耗管理要求的時鐘系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)與低功耗方式；可以滿足多種狀態(tài)激勵的中斷系統(tǒng)等。

    在單片機(jī)時代，嵌入式系統(tǒng)主要用于傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造，形成了半導(dǎo)體廠家與對象系統(tǒng)電子工程師的應(yīng)用時代。更貼切地說，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。

    由于嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，以及半導(dǎo)體集成電路供的多種支持，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域又出現(xiàn)了DSP及PLD的解決方案(見圖1)。DSP突出信號處理功能，與嵌入式處理器相結(jié)合，成為嵌入式系統(tǒng)的一個重要分支；PLD則提供了門陣列半定制的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，并形成了SoPC、FPGA／CPLD的兩大分支。無論是哪個技術(shù)發(fā)展方向，SoC都是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一歸屬。當(dāng)前，否定嵌入式系統(tǒng)的專用計算機(jī)概念，具有重要的現(xiàn)實意義。它有利于四個支柱學(xué)科在嵌入式系統(tǒng)中的正確定位與交叉融合。

2 嵌入式系統(tǒng)的四個支柱學(xué)科

    目前，嵌入式系統(tǒng)尚未形成獨立的學(xué)科體系。從“嵌入式系統(tǒng)，，的誕生、獨立的單片機(jī)發(fā)展道路、微控制器技術(shù)發(fā)展的內(nèi)涵、嵌入式系統(tǒng)的多種解決方案來看，“嵌入式系統(tǒng)，，是四個支柱學(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 四個支柱學(xué)科的關(guān)系圖解

    嵌入式系統(tǒng)的四個支柱學(xué)科是微電子學(xué)科、計算機(jī)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(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，對象學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的歸宿學(xué)科，計算機(jī)學(xué)科與電子技術(shù)學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要保證。

圖2  嵌入式系統(tǒng)四個支柱學(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(dǎo)體集成電路的領(lǐng)銜作用，在于它為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了集成電路基礎(chǔ)。電子技術(shù)學(xué)科、計算機(jī)學(xué)科的許多重要成果，最終都會體現(xiàn)在集成電路中，從早期的數(shù)字電路集成，到如今的模數(shù)混合、軟／硬件結(jié)合、以IP為基礎(chǔ)的知識與知識行為集成。

2．3 為平臺服務(wù)的計算機(jī)學(xué)科
    現(xiàn)代計算機(jī)出現(xiàn)后，在計算機(jī)學(xué)科中形成了兩大學(xué)科分支，即通用計算機(jī)學(xué)科與嵌入式計算機(jī)學(xué)科。通用計算機(jī)學(xué)科與嵌入式計算機(jī)學(xué)科有不同的技術(shù)發(fā)展方向與技術(shù)內(nèi)涵。由于嵌入式計算機(jī)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(jī)學(xué)科與原有計算機(jī)學(xué)科內(nèi)容有較大差異，不能用通用計算機(jī)的概念來詮釋嵌入式系統(tǒng)，因此、嵌入式計算機(jī)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(dān)起嵌入式系統(tǒng)新學(xué)科的建設(shè)任務(wù)。

    在嵌入式系統(tǒng)中，計算機(jī)學(xué)科要承擔(dān)起嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用平臺的構(gòu)建任務(wù)，它包括嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境、計算機(jī)工程方法、編程語言、程序設(shè)計方法等內(nèi)容。

2．4 廣泛服務(wù)的電子技術(shù)學(xué)科

    在嵌入式系統(tǒng)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(shè)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(jī)學(xué)科提供嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)支持；在對象學(xué)科中，廣大的應(yīng)用工程師在嵌入式軟硬件平臺上實現(xiàn)最廣泛的應(yīng)用。

2．5 對象學(xué)科的最終出路
    對象學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶學(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(tǒng)一個無限大的應(yīng)用領(lǐng)域。至今，嵌入式系統(tǒng)行家不再會回答“嵌入式系統(tǒng)用在什么地方?”這樣的問題。對于對象學(xué)科來說，嵌入式系統(tǒng)只是一個智能化的工具，對象學(xué)科要在嵌入式系統(tǒng)上構(gòu)建本領(lǐng)域的一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是本學(xué)科的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用要求。同時，在應(yīng)用中要不斷給微電子、集成電路設(shè)計、嵌入式計算機(jī)學(xué)科提出技術(shù)要求，以便不斷提升嵌入式系統(tǒng)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(jì)時代產(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(yīng)用都要走平臺化發(fā)展道路。

3．1 平臺模式的由來
    平臺模式是知識經(jīng)濟(jì)時代的一種基本的產(chǎn)業(yè)、科技模式，是人類知識分離性規(guī)律、集成性規(guī)律發(fā)展到高級階段上的必然現(xiàn)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(jì)60年代收音機(jī)產(chǎn)業(yè)與90年代的VCD／DVD產(chǎn)業(yè)，就會發(fā)現(xiàn)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(jì)60年代收音機(jī)行業(yè)中的所有企業(yè)，無一例外地都承擔(dān)起從創(chuàng)意、產(chǎn)品研發(fā)、樣機(jī)設(shè)計、樣機(jī)生產(chǎn)、批量投產(chǎn)的全過程，遵循著封閉的一體化產(chǎn)業(yè)模式。到了90年代的VCD／DVD時代，出現(xiàn)了半導(dǎo)體廠家與鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)社會化分工的產(chǎn)業(yè)模式：半導(dǎo)體廠家將VCD／DVD創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成VCD／DVD的軟硬件套件，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)購買VCD／DVD的軟硬件套件，并在半導(dǎo)體廠家的技術(shù)支持下實現(xiàn)VCD／DVD機(jī)的大批量生產(chǎn)。半導(dǎo)體廠家絕不生產(chǎn)VCD／DVD機(jī)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)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，實現(xiàn)了知識產(chǎn)業(yè)與制造產(chǎn)業(yè)的社會化分工。知識產(chǎn)業(yè)從事知識創(chuàng)新，將知識創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為知識平臺，不從事知識成果的最終應(yīng)用；制造產(chǎn)業(yè)則在知識平臺基礎(chǔ)上完成創(chuàng)新成果的最終應(yīng)用。

3．2 嵌入式系統(tǒng)的平臺模式
    按照知識的分離性發(fā)展規(guī)律，知識創(chuàng)新者不從事知識應(yīng)用，知識應(yīng)用者不需要了解創(chuàng)新知識原理；按照集成性發(fā)展規(guī)律要求，知識創(chuàng)新者應(yīng)該將創(chuàng)新知識成果集成到工具之中，轉(zhuǎn)化為知識平臺，知識應(yīng)用者應(yīng)該在知識平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)創(chuàng)新知識應(yīng)用。

    在早期的嵌入式系統(tǒng)中，集成電路芯片(單片機(jī)和外圍電路)、開發(fā)裝置是半導(dǎo)體廠家提供給用戶的應(yīng)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(tǒng)的應(yīng)用。當(dāng)前，在四個支柱學(xué)科支持下的嵌入式系統(tǒng)，必然形成一個按平臺模式分工發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、科研生態(tài)系統(tǒng)。

    對象學(xué)科領(lǐng)域是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶，對象學(xué)科領(lǐng)域的電子技術(shù)應(yīng)用工程師應(yīng)該在一個現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。

    微電子學(xué)科、嵌入式計算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科(非對象學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用工程師)不是嵌入式系統(tǒng)最終用戶，這些學(xué)科的重要任務(wù)是將創(chuàng)新科技成果轉(zhuǎn)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(jī)學(xué)科提供集成開發(fā)環(huán)境、編程語言、算法、計算機(jī)工程方法平臺；電子工程師與微電子設(shè)計、嵌入式計算機(jī)學(xué)科、OEM廠家配合，完成嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品平臺，以及產(chǎn)品平臺的技術(shù)服務(wù)。

    從平臺觀念出發(fā)，一個優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，必須在一個優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上開發(fā)。

3．3 平臺模式下的學(xué)科定位與分工
    由于嵌入式系統(tǒng)有四個支柱學(xué)科的跨學(xué)科特點，每個學(xué)科在嵌入式系統(tǒng)中都會體現(xiàn)出它的優(yōu)勢與弱勢，因此，嵌人式系統(tǒng)中有一個學(xué)科定位與交叉融合問題?！皩W(xué)科定位”體現(xiàn)在每個學(xué)科利用自己的學(xué)科優(yōu)勢，在自己的學(xué)科基礎(chǔ)上，介入嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展；“交叉融合”是在學(xué)科定位的基礎(chǔ)上，不斷了解其他學(xué)科對嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展要求，以便為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)筑最佳的知識平臺，實現(xiàn)最佳的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

    由于各學(xué)科的交叉融合，每個學(xué)科的團(tuán)隊建設(shè)，應(yīng)在自身學(xué)科基礎(chǔ)上，吸收一定比例的其他學(xué)科人員。例如近年來，在集成電路設(shè)計領(lǐng)域吸收了不少嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計人才；在高等學(xué)校計算機(jī)學(xué)院設(shè)立嵌入式系統(tǒng)專業(yè)時，引進(jìn)了許多對象領(lǐng)域中的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用型人才。

    嵌入式系統(tǒng)中四個支柱學(xué)科的定位，除了學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的定位外，還要體現(xiàn)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(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科為嵌入式應(yīng)用構(gòu)筑各種類型的應(yīng)用平臺，不介入嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用；對象學(xué)科一定要在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用平臺基礎(chǔ)上，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在本學(xué)科領(lǐng)域中的產(chǎn)品化應(yīng)用，不必介入嵌入式系統(tǒng)的平臺構(gòu)建。例如，就嵌入式操作系統(tǒng)而言，操作系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)該定位在計算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域，但是要構(gòu)建一個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，必須了解嵌入式的應(yīng)用特點與應(yīng)用環(huán)境，同時能夠預(yù)見未來的MCU芯片中的固件化趨勢；在對象領(lǐng)域中，把操作系統(tǒng)視為工具，只須了解操作系統(tǒng)性能與應(yīng)用界面；微電子技術(shù)專家要了解嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件特點，以便芯片技術(shù)到達(dá)一定階段后，納入集成電路設(shè)計中。

    嵌入式系統(tǒng)是一個無限大的空間，不論是嵌入式系統(tǒng)平臺構(gòu)建還是嵌入式系統(tǒng)平臺應(yīng)用，都有無限廣闊的發(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”。