基于嵌入式系統(tǒng)及其平臺(tái)下學(xué)科分工的系統(tǒng)研究

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)限大的空間，不論是嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建還是嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)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(tǒng)的發(fā)展歷程、支柱學(xué)科，以及嵌入式平臺(tái)下的學(xué)科分工。

1、嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)代，經(jīng)過(guò)微型計(jì)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(dú)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(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(lái)解釋嵌入式系統(tǒng)不是專用計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是在微處理器基礎(chǔ)上誕生的微型計(jì)算機(jī)。微型機(jī)誕生后，以其小體積、低價(jià)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(jì)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(jì)算機(jī)便成為嵌入到特定機(jī)電系統(tǒng)中的專用計(jì)算機(jī)。為了與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相區(qū)別，把這種專用計(jì)算機(jī)稱為“嵌入式計(jì)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(shí)出發(fā)，早期可以認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1.2 專用計(jì)算機(jī)探索的失敗之路

嵌入式系統(tǒng)誕生后，為了滿足對(duì)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(jì)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(jì)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(wú)法滿足嵌入式系統(tǒng)的微小體積、極低價(jià)位、高可靠、對(duì)象耦合性好的基本要求。隨后，出現(xiàn)了板級(jí)狀態(tài)的微型計(jì)算機(jī)(單板機(jī))，減小了計(jì)算機(jī)體積、降低了價(jià)位，迅速掀起了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造熱潮。

無(wú)論是工控機(jī)，還是單板機(jī)，都無(wú)法徹底地滿足嵌入式系統(tǒng)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，集成到一個(gè)半導(dǎo)體芯片中，做成單片微型計(jì)算機(jī)。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型機(jī)簡(jiǎn)化后集成的單片微型計(jì)算機(jī)。單片微型計(jì)算機(jī)徹底解決了嵌入式系統(tǒng)的極小體積、極低價(jià)位，但在高可靠性及對(duì)象可控性方面沒(méi)有本質(zhì)上的改進(jìn)。國(guó)外將芯片化的微型計(jì)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(duì)象耦合性至關(guān)重要，它已跳出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用要求。例如，嵌入式系統(tǒng)從一開(kāi)始就把“死機(jī)”、“實(shí)時(shí)性”作為重要的技術(shù)問(wèn)題，把與對(duì)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(jì)算機(jī)”的羈絆，走獨(dú)立的“微控制器”道路。實(shí)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(jì)算機(jī)的發(fā)展道路是行不通的。

1.3 嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)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(jì)算機(jī)”羈絆，獨(dú)立發(fā)展的道路。這是一條由Intel MCS一51單片機(jī)、iDCX51實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)開(kāi)辟的單片機(jī)獨(dú)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(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(mén)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。

MCS一51開(kāi)創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。這是一個(gè)微控制器時(shí)代，國(guó)外及時(shí)、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(shí)代，最重要的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)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(shí)時(shí)性要求;與對(duì)象體系相連接的傳感器接口、伺服驅(qū)動(dòng)接口、人機(jī)接口與通信接口;滿足低功耗管理要求的時(shí)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(lì)的中斷系統(tǒng)等。

在單片機(jī)時(shí)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(duì)象系統(tǒng)電子工程師的應(yīng)用時(shí)代。更貼切地說(shuō)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)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。DSP突出信號(hào)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(gè)重要分支;PLD則提供了門(mén)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(wú)論是哪個(gè)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(jì)算機(jī)概念，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它有利于四個(gè)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(gè)支柱學(xué)科

目前，嵌入式系統(tǒng)尚未形成獨(dú)立的學(xué)科體系。從嵌入式系統(tǒng)的誕生、獨(dú)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(lái)看，嵌入式系統(tǒng)是四個(gè)支柱學(xué)科的交叉與融合，并以平臺(tái)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(tǒng)的四個(gè)支柱學(xué)科是微電子學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、對(duì)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(duì)象學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的歸宿學(xué)科，計(jì)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。

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(jì)算機(jī)學(xué)科的許多重要成果，最終都會(huì)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(shí)與知識(shí)行為集成。

2.3 為平臺(tái)服務(wù)的計(jì)算機(jī)學(xué)科

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，在計(jì)算機(jī)學(xué)科中形成了兩大學(xué)科分支，即通用計(jì)算機(jī)學(xué)科與嵌入式計(jì)算機(jī)學(xué)科。通用計(jì)算機(jī)學(xué)科與嵌入式計(jì)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(jì)算機(jī)學(xué)科與對(duì)象學(xué)科、微電子學(xué)科緊密相關(guān)，而嵌入式計(jì)算機(jī)學(xué)科與原有計(jì)算機(jī)學(xué)科內(nèi)容有較大差異，不能用通用計(jì)算機(jī)的概念來(lái)詮釋嵌入式系統(tǒng)，因此、嵌入式計(jì)算機(jī)要加強(qiáng)與微電子學(xué)科、電子學(xué)科、對(duì)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)。