嵌入式系統(tǒng)支柱學科的交叉與融合

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基礎上發(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(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)最廣泛的嵌入式應用要求，不斷探索嵌入式系統(tǒng)的應用模式，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構進行簡化，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)控制的嵌入式應用，高可靠性、對象耦合性至關重要，它已跳出傳統(tǒng)計算機的應用要求。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(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)的硬件結構基礎iDCX51是專門與MCS一51單片機配置，滿足嵌入式應用要求原創(chuàng)的實時多任務操作系統(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，最重要的技術發(fā)展熱點是，全面滿足嵌入式應用要求的擴展總線、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)電子工程師的應用時代。更貼切地說，單片機應用系統(tǒng)是一個智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。

　　由于嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，以及半導體集成電路供的多種支持，在嵌入式系統(tǒng)領域又出現(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。無論是哪個技術發(fā)展方向，SoC都是嵌入式應用系統(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、電子技術學科、對象學科，它們的關系如圖2所示。微電子學科是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的基礎，對象學科是嵌入式系統(tǒng)應用的歸宿學科，計算機學科與電子技術學科是嵌入式系統(tǒng)技術發(fā)展的重要保證。

圖2  嵌入式系統(tǒng)四個支柱學科的交叉與融合

2．2 領銜的微電子學科
　　微電子學科與半導體集成電路的領銜作用，在于它為嵌入式系統(tǒng)的應用提供了集成電路基礎。電子技術學科、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／硬件結合、以IP為基礎的知識與知識行為集成。

2．3 為平臺服務的計算機學科
　　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發(fā)展方向與技術內(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，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)新學科的建設任務。

　　在嵌入式系統(tǒng)中，計算機學科要承擔起嵌入式系統(tǒng)應用平臺的構建任務，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、程序設計方法等內(nèi)容。

2．4 廣泛服務的電子技術學科

　　在嵌入式系統(tǒng)中，電子技術學科提供了最廣泛的技術服務。電子技術將微電子領域的集成電路設計，迅速從電路集成、功能集成、技術集成發(fā)展到知識集成；為計算機學科提供嵌入式系統(tǒng)的硬件設計技術支持；在對象學科中，廣大的應用工程師在嵌入式軟硬件平臺上實現(xiàn)最廣泛的應用。

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域，形成了嵌入式系統(tǒng)一個無限大的應用領域。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)上構建本領域的一個嵌入式應用系統(tǒng)。嵌入式應用系統(tǒng)的技術基礎是本學科的基礎理論與應用環(huán)境、應用要求。同時，在應用中要不斷給微電子、集成電路設計、嵌入式計算機學科提出技術要求，以便不斷提升嵌入式系統(tǒng)平臺的技術水平。

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的技術研究。VCD／DVD的軟硬件套件就是VCD／DVD技術的知識平臺。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(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(guī)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現(xiàn)創(chuàng)新知識應用。

　　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用平臺，對象領域的電子工程師在這樣的平臺上完成嵌入式系統(tǒng)的應用。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)。

　　對象學科領域是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶，對象學科領域的電子技術應用工程師應該在一個現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)嵌入式應用系統(tǒng)設計。

　　微電子學科、嵌入式計算機學科、電子技術學科(非對象學科領域中的應用工程師)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)品平臺的技術服務。

　　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上，不斷了解其他學科對嵌入式系統(tǒng)的技術發(fā)展要求，以便為嵌入式系統(tǒng)構筑最佳的知識平臺，實現(xiàn)最佳的嵌入式系統(tǒng)應用。

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

　　嵌入式系統(tǒng)中四個支柱學科的定位，除了學科知識結構的定位外，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、電子技術學科為嵌入式應用構筑各種類型的應用平臺，不介入嵌入式系統(tǒng)的具體應用；對象學科一定要在嵌入式系統(tǒng)應用平臺基礎上，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在本學科領域中的產(chǎn)品化應用，不必介入嵌入式系統(tǒng)的平臺構建。例如，就嵌入式操作系統(tǒng)而言，操作系統(tǒng)的構建應該定位在計算機學科領域，但是要構建一個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，必須了解嵌入式的應用特點與應用環(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)性能與應用界面；微電子技術專家要了解嵌入式操作系統(tǒng)與應用軟件特點，以便芯片技術到達一定階段后，納入集成電路設計中。

　　嵌入式系統(tǒng)是一個無限大的空間，不論是嵌入式系統(tǒng)平臺構建還是嵌入式系統(tǒng)平臺應用，都有無限廣闊的發(fā)展空間，關鍵是把握好自己的“定位”與“分工”，了解學科的“交叉”與“融合”。