現(xiàn)代計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命——嵌入式系統(tǒng)

       18世紀(jì)蒸汽機(jī)帶動了機(jī)械化產(chǎn)業(yè)革命由工業(yè)革命把我們推進(jìn)到現(xiàn)代文明社會；20世紀(jì)計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命，使人類進(jìn)入信息、知識、文明高度發(fā)展的時代。

       實(shí)際上，20世紀(jì)的計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命意義更加深遠(yuǎn)、偉大，這兩次產(chǎn)業(yè)革命有很多可比性。從宏觀角度看，18世紀(jì)是 動力機(jī)械產(chǎn)業(yè)革命，蒸汽機(jī)是其中的動力機(jī)械，現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)革命是計算機(jī)的產(chǎn)業(yè)革命，計算機(jī)技術(shù)成為核心驅(qū)動力；18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命催生了資本經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)代計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命催生了知識經(jīng)濟(jì)；18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的成果是提供了動力機(jī)械的平臺和動力機(jī)械的嵌入，蒸汽機(jī)、內(nèi) 燃機(jī)和電動機(jī)等機(jī)械為工業(yè)發(fā)展提供了動力平臺，并且提供了動力器械的嵌入方式，計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命中，通用計算機(jī)提供了智力平臺，嵌入式系統(tǒng)嵌入到對象體系中間，提供了智力內(nèi)核的嵌入；動力機(jī)械產(chǎn)業(yè)革命完成了人類體力勞動的替代，計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命完成了人類腦力勞動的替代。這兩次產(chǎn)業(yè)革命都有深遠(yuǎn)的意義。

       回顧兩次產(chǎn)業(yè)革命，18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)是蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)，能源實(shí)現(xiàn)了蒸汽動力、石油動力、電動力，是歸一化的機(jī)械動力。只有形成歸一化的動力機(jī)械，并以各種方式嵌入所有基礎(chǔ)領(lǐng)域，才能催生出產(chǎn)業(yè)革命，它的發(fā)展模式是機(jī)械的動力平臺嵌入。 

       計算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)是集成電路、微處理器、微型計算機(jī)，它的計算手段起到了智力替代的作用。通用計算機(jī)智力平臺的模式，推動了嵌入式系統(tǒng)的智力嵌入，整個現(xiàn)代計算機(jī)形成了兩個領(lǐng)域，一個是通用計算機(jī)領(lǐng)域，一個是嵌入式領(lǐng)域。

        通用計算機(jī)提供了智力平臺，主要實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計，包括計算機(jī)輔助設(shè)計、輔助制造、科學(xué)計算、工程設(shè)計等，實(shí)現(xiàn)了智力替代平臺；在嵌入式計算機(jī)領(lǐng)域中，智力嵌入是將嵌入式系統(tǒng)嵌入到對象體系中，這個對象體系包含家用電器、智能儀表、工控單元等多個領(lǐng)域，嵌入式是帶計算機(jī)內(nèi)核的設(shè)備，所以提供了智力平臺和智力嵌入模式，這就是計算機(jī)革命的兩個模式。 

       嵌入式計算機(jī)出現(xiàn)以后，通用計算機(jī)和嵌入計算機(jī)分道揚(yáng)鑣，出現(xiàn)了兩個不同的發(fā)展方向，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展走向單片機(jī)的道路，直到現(xiàn)在單片機(jī)仍然是嵌入式系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。 

      通用計算機(jī)承擔(dān)智力平臺的革命，嵌入式系統(tǒng)承擔(dān)智力嵌入的革命，這是兩個不可兼容的技術(shù)發(fā)展方向。所以通用計算機(jī)承擔(dān)的任務(wù)是高速海量的數(shù)字計算，而嵌入式系統(tǒng)主要滿足對象系統(tǒng)的全面智能化要求。現(xiàn)在通用計算機(jī)不斷地提高速度和存儲容量，而嵌入式系統(tǒng)中，8位計算機(jī)仍然是一個很主要的應(yīng)用形式。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向是超小型、超低價位、高可靠性和易耦合。嵌入到對象體系時，原對象系統(tǒng)應(yīng)該和電子系統(tǒng)具備很好的耦合，包括傳感器、傳感器接口、驅(qū)動器接口、人機(jī)界面等。除了物理耦合性，還需要科學(xué)的耦合性，研究人員應(yīng)對所涉及的技術(shù)原理深入了解。 

      單片機(jī)是嵌入式發(fā)展的必然道路，通用計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)不能替代嵌入式系統(tǒng)，必須建立一個創(chuàng)新的體系結(jié)構(gòu)。英特爾最早提出了嵌入式系統(tǒng)經(jīng)典的硬件體系，這個體系精簡、高效、高可靠，它的指令系統(tǒng)突出控制功能，外部總線易擴(kuò)展、易配置，提供了在32位系統(tǒng)中必須遵循的特殊功能計算機(jī)管理模式，不管將來擴(kuò)展任何電路單元，都遵循歸一化的特殊功能管理模式。另外英特爾還帶來了原創(chuàng)嵌入式操作系統(tǒng)。早期嵌入式操作系統(tǒng)受通用計算機(jī)影響太大，作為原創(chuàng)RTOS實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，設(shè)計時必須考慮實(shí)時性、多任務(wù)性。 

      嵌入式的發(fā)展是從單片機(jī)、微控制器再到SoC的發(fā)展，單片機(jī)是最早的嵌入式概念。嵌入式系統(tǒng)二三十年的發(fā)展史中，內(nèi)核是發(fā)展最慢的，但也是最穩(wěn)定的，因?yàn)榍度胧絻?nèi)核追求智能化控制，是外部接口和對象的耦合關(guān)系。 

      嵌入式系統(tǒng)新時代 

      單片機(jī)時代也屬于嵌入式時代，不過單片機(jī)進(jìn)入電子應(yīng)用領(lǐng)域，主要面向智能儀表、家用電器、工控單位等領(lǐng)域。在通訊網(wǎng)絡(luò)遍布的后PC時代，很多計算機(jī)人才進(jìn)入這個領(lǐng)域，形成了嵌入式系統(tǒng)全面發(fā)展的新時代，它和單片機(jī)時代是銜接的。單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)是兩個時代概念，但其內(nèi)涵相同，單片機(jī)是嵌入式獨(dú)立發(fā)展的時代，兩者之間并沒有技術(shù)本質(zhì)的差異，都遵循MCU和SoC道路。 

       嵌入式系統(tǒng)包含四個支柱學(xué)科：微電子學(xué)、計算機(jī)學(xué)科、電子學(xué)科和對象學(xué)科，四個學(xué)科共同促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展。其中對象學(xué)科和其他三個學(xué)科之間差異最大，所有嵌入式產(chǎn)品從對象學(xué)科中走出來，無論是計算機(jī)學(xué)科、微電子學(xué)科還是電子技術(shù)學(xué)科，都為嵌入式應(yīng)用提供了一個廣闊的平臺，對象系統(tǒng)在這個平臺上實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

       嵌入式系統(tǒng)新型的產(chǎn)業(yè)模式是一個扇形產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，和資本經(jīng)濟(jì)時代一體化封閉的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的差別。此外，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中還突顯了知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)，嵌入式產(chǎn)業(yè)從百花齊放開始向技術(shù)集權(quán)方向發(fā)展。技術(shù)集權(quán)方式對整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展很有利，可以做到技術(shù)上的高度統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。平臺模式的發(fā)展日益明顯，微電子學(xué)科、計算機(jī)學(xué)科、電子學(xué)科都為對象學(xué)科構(gòu)建理想的平臺，提供最適合的集成開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)。