32位嵌入式系統(tǒng)——IT從業(yè)人員的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

近幾年來，隨著人們對(duì)嵌入式設(shè)備越來越高的應(yīng)用需求，以32位嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式技術(shù)逐漸深入到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，雖然以8位機(jī)為核心的嵌入式技術(shù)也在不斷的發(fā)展，但由于其體系架構(gòu)的局限性，已無(wú)法滿足當(dāng)前和未來高性能嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展需求。同時(shí)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，要求產(chǎn)品的開發(fā)周期越來越短，顯然，傳統(tǒng)的嵌入式軟、硬件技術(shù)和開發(fā)手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的需求。

1、我國(guó)嵌入式技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

自上個(gè)世紀(jì)七十年代提出嵌入式系統(tǒng)的概念以來，嵌入式系統(tǒng)以其高性能、低功耗、低成本和小體積等優(yōu)勢(shì)，獲得了飛速的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用，然而，由于受到當(dāng)時(shí)硬件水平的制約，嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)方式與以PC為代表的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件開發(fā)方式一開始就完全不同。當(dāng)時(shí)的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)一般都是基于8位機(jī)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)者通常也是系統(tǒng)的軟件開發(fā)者，編程語(yǔ)言絕大多數(shù)也以匯編語(yǔ)言為主，硬件設(shè)計(jì)者在進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)會(huì)考慮程序如何編寫，而在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，也會(huì)考慮與硬件的配合，因此，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)人員一般都非常了解系統(tǒng)的底層軟、硬件細(xì)節(jié)。由于軟、硬件條件的制約，這些系統(tǒng)一般都用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集與控制功能，程序結(jié)構(gòu)多使用簡(jiǎn)單的控制循環(huán)，配合中斷服務(wù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界請(qǐng)求的相應(yīng)，不采用操作系統(tǒng)，所以，他們對(duì)通用計(jì)算機(jī)基于操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具和技術(shù)的理解與掌握比較有限。而與此同時(shí)，另一大批人則對(duì)以Microsoft Windows、Linux為代表的操作系統(tǒng)技術(shù)深深著迷，醉心于在這些操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序開發(fā)，他們感興趣的東西是如何使用諸如VB、VC、Java之類的高級(jí)編程語(yǔ)言，在操作系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜和更精彩的應(yīng)用，而不太關(guān)心系統(tǒng)的更多的硬件細(xì)節(jié)。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)一般將前者歸類為硬件開發(fā)人員，而后者通常被稱之為軟件程序員。這兩大群體在很長(zhǎng)一段時(shí)間幾乎也是井水不犯河水，各自有著不同的開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域。

然而，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和人們的應(yīng)用需求越來越高，特別是隨著以ARM、PowerPC、MIPS等為代表的高性能嵌入式微處理器普遍使用，使傳統(tǒng)意義上的嵌入式系統(tǒng)的概念發(fā)生了很大的變化。以基于8位機(jī)的嵌入式系統(tǒng)為例，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)隨著需求的增加變得越來越復(fù)雜、使用范圍變得越來越廣泛時(shí)，系統(tǒng)每增加一項(xiàng)新的功能，都會(huì)帶來應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)的變化，甚至需要完全重新設(shè)計(jì)，而這種問題在基于操作系統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)上就小得多，顯然，沒有操作系統(tǒng)的支持已經(jīng)成為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的最大的缺陷，但由于8位機(jī)系統(tǒng)有限的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)容量，不足以支持操作系統(tǒng)的運(yùn)行，因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，人們盡管已經(jīng)意識(shí)到這個(gè)問題的存在，但也沒有更好的解決辦法。

自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了“片上系統(tǒng)”（SoC，System on Chip）的概念，目前，嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)已進(jìn)入以SoC為核心的階段，顯然，SoC為高性能的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的提供了功能豐富的硬件平臺(tái)，而這些平臺(tái)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力，足以支持復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)（EOS，Embedded Operating Systems）的運(yùn)行。
嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展是伴隨的嵌入式微處理器性能的不斷提高而逐漸發(fā)展起來的，最近幾年來，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其原因主要是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)復(fù)雜度的增加，同時(shí)，高性能的嵌入式微處理器的推廣使用，為嵌入式操作系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了硬件平臺(tái)的保障。目前，在嵌入式系統(tǒng)中使用的操作系統(tǒng)種類也非常繁多，其中，市場(chǎng)份額占有比較高的有Linux/uClinux、Windows CE、VxWorks、QNX、 uC/OS II等。嵌入式系統(tǒng)主要可分為兩大類，一類是商業(yè)級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)，這類操作系統(tǒng)一般都經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用，且都由一些大公司開發(fā)與維護(hù)，在性能或服務(wù)上都有較好的保證，如Windows CE、VxWorks、QNX等，但這類操作系統(tǒng)一般價(jià)格比較昂貴，且都不公開核心代碼，這就與嵌入式系統(tǒng)用戶定制性較強(qiáng)、升級(jí)換代快等特點(diǎn)相違背，因此其應(yīng)用范圍受到了很大的限制。另一類則是源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux/uClinux、uC/OSII等，盡管這類系統(tǒng)在技術(shù)支持和服務(wù)上有所欠缺，且對(duì)開發(fā)人員有較高的要求，但由于用戶可定制性好、具有可持續(xù)開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，從目前看來，其應(yīng)用范圍反而比商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)廣泛得多。

2、IT從業(yè)人員面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式技術(shù)會(huì)深入到越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域，與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合且技術(shù)高度分散的嵌入式技術(shù)，為我們國(guó)內(nèi)一大批優(yōu)秀的硬件系統(tǒng)工程師和軟件設(shè)計(jì)人員，提供了新的舞臺(tái)和發(fā)展空間，同時(shí)也為我國(guó)的IT技術(shù)發(fā)展提供了難得的歷史機(jī)遇，因此，提高我國(guó)整體的嵌入式技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用水平，掌握一定的開發(fā)核心技術(shù)，既是我國(guó)IT技術(shù)發(fā)展的需要，也是廣大IT從業(yè)人員的責(zé)任。

眾所周知，任何一門技術(shù)的發(fā)展，人才的培養(yǎng)是關(guān)鍵，嵌入式技術(shù)的發(fā)展也不例外。對(duì)于我國(guó)嵌入式人才的培養(yǎng)，一方面可以充分利用我國(guó)的高等教育資源，在工科高校的相關(guān)專業(yè)加強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，為我國(guó)嵌入式技術(shù)的發(fā)展提供大量?jī)?yōu)秀的后備人才，而另一方面，鑒于目前我國(guó)有一大批高素質(zhì)的IT從業(yè)人員，他們通過一定的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，就可以很快成為嵌入式技術(shù)開發(fā)的主力軍。從目前的情況看來，我國(guó)IT人員結(jié)構(gòu)不太適合嵌入式技術(shù)發(fā)展的需要，即精通低端8位系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用技術(shù)人才和純粹的軟件編程人員相對(duì)過剩，而真正掌握軟硬、件技術(shù)相結(jié)合的高端32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的人才卻比較少，整個(gè)IT從業(yè)人員的結(jié)構(gòu)呈兩端大、中間小的啞鈴結(jié)構(gòu)。

如何在較短的時(shí)間內(nèi)解決我國(guó)高端嵌入式人才缺乏的現(xiàn)狀？筆者認(rèn)為，比較行之有效的方法是除了加大在工科高校培養(yǎng)嵌入式應(yīng)用人才的力度以外，更主要的是注重對(duì)現(xiàn)有IT從業(yè)人員的轉(zhuǎn)型，由于他們都有多年的IT從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和較高的專業(yè)素養(yǎng)，很快就可以成為行業(yè)應(yīng)用的骨干力量。但目前的實(shí)際情況是，絕大多數(shù)的IT從業(yè)人員還沒有認(rèn)識(shí)到轉(zhuǎn)型的必要性或?qū)ψ陨磙D(zhuǎn)型的是否成功沒有太大的把握。在筆者所接觸的IT從業(yè)人員中，持此種觀點(diǎn)的人非常多。

對(duì)于傳統(tǒng)的8位機(jī)硬件工程師，他們一般都具有較深厚的硬件功底，有豐富的開發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)微處理器的結(jié)構(gòu)有比較深入的了解，同時(shí)也具有相當(dāng)?shù)牡讓榆浖_發(fā)技能，他們的這些優(yōu)勢(shì)，在32位高端嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中也是必須的，因此，對(duì)于他們來說，轉(zhuǎn)型所面臨的問題，從很大程度上講還不是技術(shù)層面上的，而是他們對(duì)嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)問題。有相當(dāng)一部分工程師并不認(rèn)為在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，推廣使用32位高性能嵌入式微處理器是必要的，甚至在一些比較復(fù)雜的應(yīng)用中，還堅(jiān)持使用8位機(jī)完成，一片不行用兩片，兩片不行用四片…，導(dǎo)致在以往的嵌入式設(shè)備中，復(fù)雜的多機(jī)系統(tǒng)比比皆是，這樣的系統(tǒng)，無(wú)論是從軟、硬件開發(fā)的復(fù)雜度、可靠性，還是系統(tǒng)的性價(jià)比方面考慮，都是不盡如人意的。還有一部分工程師也嘗試將32位高性能嵌入式微處理器應(yīng)用到自己的設(shè)計(jì)中，但由于對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的開發(fā)過程了解得不夠深入，不太愿意使用嵌入式操作系統(tǒng)，軟件的開發(fā)仍然采用傳統(tǒng)的8位機(jī)開發(fā)模式，顯然，這樣的開發(fā)模式不但不利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能，同時(shí)也沒有充分發(fā)揮32位高性能嵌入式微處理器的固有優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)于傳統(tǒng)的8位機(jī)硬件工程師來說，設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)型，從很大程度上是思想的轉(zhuǎn)型，而跟蹤嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展方向，及時(shí)更新自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并不需要花太大的代價(jià)。
而對(duì)于傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)人員來說，他們一般都具有比較深厚的應(yīng)用程序開發(fā)能力，對(duì)軟件開發(fā)流程、軟件質(zhì)量保證等，也有較深入的了解，但他們對(duì)系統(tǒng)底層硬件結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)就相對(duì)欠缺，同時(shí)，隨著高級(jí)應(yīng)用開發(fā)工具的不斷發(fā)展，他們幾乎已經(jīng)完全不關(guān)心系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)了。然而，眾所周知嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬件結(jié)合非常緊密的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，他們對(duì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)有一種排斥的心態(tài)，對(duì)自身是否能進(jìn)行這方面的工作持懷疑態(tài)度。但由于目前基于32位高性能微處理器的嵌入式系統(tǒng)無(wú)論是從運(yùn)算能力、還是存儲(chǔ)能力，都足以支持一個(gè)復(fù)雜現(xiàn)代操作系統(tǒng)的運(yùn)行，正是操作系統(tǒng)的引入，使得嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)與通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的程序開發(fā)有很大的相似之處，也給廣大的傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)人員提供了新的舞臺(tái)和發(fā)展機(jī)遇。但是，嵌入式應(yīng)用的開發(fā)又不完全等同于純粹應(yīng)用軟件的開發(fā)，需要和底層硬件聯(lián)系，因此，要求軟件開發(fā)人員必須具備一定的硬件知識(shí)，對(duì)硬件系統(tǒng)的工作原理有大致的了解。以目前廣泛使用的嵌入式操作系統(tǒng)Linux為例，嵌入式Linux的內(nèi)核與運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的Linux具有完全一致的內(nèi)核版本，運(yùn)行于通用平臺(tái)Linux上的應(yīng)用程序，只需要修改與硬件相關(guān)的代碼，就可以直接移植到嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行。

3、共同努力，促進(jìn)我國(guó)嵌入式應(yīng)用水平提高

筆者多年來一直從事嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)與研究工作，也經(jīng)歷了一個(gè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)從8位系統(tǒng)到32位系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與轉(zhuǎn)型過程，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的高端嵌入式應(yīng)用人才還會(huì)比較缺乏，因此，如何讓目前的一部分IT從業(yè)人員、特別是軟件開發(fā)人員向嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，具有重大的意義。

讓我們共同努力，促進(jìn)我國(guó)嵌入式應(yīng)用與開發(fā)水平的提高。