基于嵌入式系統(tǒng)及其平臺下學科分工的系統(tǒng)研究

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，本文主要介紹嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程、支柱學科，以及嵌入式平臺下的學科分工。

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)誕生于微型機時代，經(jīng)過微型計算機的嵌入式專用化的短暫探索后，便進入到嵌入式系統(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，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。

現(xiàn)代計算機是在微處理器基礎(chǔ)上誕生的微型計算機。微型機誕生后，以其小體積、低價位、高可靠性，迅速走出機房，引發(fā)了大型機電設(shè)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(shè)備中，承擔起大型機電設(shè)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(tǒng)中的專用計算機。為了與通用計算機系統(tǒng)相區(qū)別，把這種專用計算機稱為“嵌入式計算機系統(tǒng)”。從嵌入式系統(tǒng)概念誕生于微型機的事實出發(fā)，早期可以認為嵌入式系統(tǒng)是專用計算機系統(tǒng)。

1.2 專用計算機探索的失敗之路

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行機械加固、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(單板機)，減小了計算機體積、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，還是單板機，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體系結(jié)構(gòu)進行簡化，集成到一個半導體芯片中，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(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。國外將芯片化的微型計算機稱作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)計算機的應(yīng)用要求。例如，嵌入式系統(tǒng)從一開始就把“死機”、“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”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、單板機、單芯片化的專用計算機的發(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”羈絆，獨立發(fā)展的道路。這是一條由Intel MCS一51單片機、iDCX51實時多任務(wù)操作系統(tǒng)開辟的單片機獨立發(fā)展的道路。MCS一51是一個在微電子學、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)展的單片機時代。這是一個微控制器時代，國外及時、準確地將“SingleChip Microcomputer”改稱為“Microcontr011er Unit”。這不是文字游戲。

嵌入式系統(tǒng)進入單片機發(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。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。當前，否定嵌入式系統(tǒng)的專用計算機概念，具有重要的現(xiàn)實意義。它有利于四個支柱學科在嵌入式系統(tǒng)中的正確定位與交叉融合。

2、嵌入式系統(tǒng)的四個支柱學科

目前，嵌入式系統(tǒng)尚未形成獨立的學科體系。從嵌入式系統(tǒng)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(nèi)涵、嵌入式系統(tǒng)的多種解決方案來看，嵌入式系統(tǒng)是四個支柱學科的交叉與融合，并以平臺模式進行學科定位與分工。

2.1 四個支柱學科的關(guān)系圖解

嵌入式系統(tǒng)的四個支柱學科是微電子學科、計算機學科、電子技術(shù)學科、對象學科，它們的關(guān)系如圖2所示。微電子學科是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，對象學科是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的歸宿學科，計算機學科與電子技術(shù)學科是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要保證。

2.2 領(lǐng)銜的微電子學科

微電子學科與半導體集成電路的領(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)學科、計算機學科的許多重要成果，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)的計算機學科

現(xiàn)代計算機出現(xiàn)后，在計算機學科中形成了兩大學科分支，即通用計算機學科與嵌入式計算機學科。通用計算機學科與嵌入式計算機學科有不同的技術(shù)發(fā)展方向與技術(shù)內(nèi)涵。由于嵌入式計算機學科與對象學科、微電子學科緊密相關(guān)，而嵌入式計算機學科與原有計算機學科內(nèi)容有較大差異，不能用通用計算機的概念來詮釋嵌入式系統(tǒng)，因此、嵌入式計算機要加強與微電子學科、電子學科、對象學科的溝通，共同承擔起嵌入式系統(tǒng)新學科的建設(shè)任務(wù)。[!--empirenews.page--]

在嵌入式系統(tǒng)中，計算機學科要承擔起嵌入式系統(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)學科

在嵌入式系統(tǒng)中，電子技術(shù)學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;為計算機學科提供嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)支持;在對象學科中，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 對象學科的最終出路

對象學科是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶學科。對象學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。對于對象學科來說，嵌入式系統(tǒng)只是一個智能化的工具，對象學科要在嵌入式系統(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、嵌入式計算機學科提出技術(shù)要求，以便不斷提升嵌入式系統(tǒng)平臺的技術(shù)水平。

3、平臺模式下的學科分工

平臺模式是知識經(jīng)濟時代產(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60年代收音機產(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60年代收音機行業(yè)中的所有企業(yè)，無一例外地都承擔起從創(chuàng)意、產(chǎn)品研發(fā)、樣機設(shè)計、樣機生產(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，并在半導體廠家的技術(shù)支持下實現(xiàn)VCD/DVD機的大批量生產(chǎn)。半導體廠家絕不生產(chǎn)VCD/DVD機，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(單片機和外圍電路)、開發(fā)裝置是半導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。當前，在四個支柱學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)。

對象學科領(lǐng)域是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶，對象學科領(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。

微電子學科、嵌入式計算機學科、電子技術(shù)學科(非對象學科領(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的MCU、外圍芯片、SoC等IC平臺;嵌入式計算機學科提供集成開發(fā)環(huán)境、編程語言、算法、計算機工程方法平臺;電子工程師與微電子設(shè)計、嵌入式計算機學科、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 平臺模式下的學科定位與分工

由于嵌入式系統(tǒng)有四個支柱學科的跨學科特點，每個學科在嵌入式系統(tǒng)中都會體現(xiàn)出它的優(yōu)勢與弱勢，因此，嵌人式系統(tǒng)中有一個學科定位與交叉融合問題。“學科定位”體現(xiàn)在每個學科利用自己的學科優(yōu)勢，在自己的學科基礎(chǔ)上，介入嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展;“交叉融合”是在學科定位的基礎(chǔ)上，不斷了解其他學科對嵌入式系統(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。

由于各學科的交叉融合，每個學科的團隊建設(shè)，應(yīng)在自身學科基礎(chǔ)上，吸收一定比例的其他學科人員。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;在高等學校計算機學院設(shè)立嵌入式系統(tǒng)專業(yè)時，引進了許多對象領(lǐng)域中的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用型人才。

嵌入式系統(tǒng)中四個支柱學科的定位，除了學科知識結(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。即微電子學科、計算機學科、電子技術(shù)學科為嵌入式應(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)該定位在計算機學科領(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)到達一定階段后，納入集成電路設(shè)計中。