嵌入式系統(tǒng)支柱學(xué)科的交叉與融合

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。

　　無論是工控機(jī)，還是單板機(jī)，都無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)象可控性方面沒有本質(zhì)上的改進(jìn)。國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)從一開始就把“死機(jī)”、“實(shí)時(shí)性”作為重要的技術(shù)問題，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，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(見圖1)。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(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。

圖2  嵌入式系統(tǒng)四個(gè)支柱學(xué)科的交叉與融合

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)。

　　在嵌入式系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)學(xué)科要承擔(dān)起嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)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(jì)算機(jī)工程方法、編程語言、程序設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。

2．4 廣泛服務(wù)的電子技術(shù)學(xué)科

　　在嵌入式系統(tǒng)中，電子技術(shù)學(xué)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(jì)，迅速從電路集成、功能集成、技術(shù)集成發(fā)展到知識(shí)集成；為計(jì)算機(jī)學(xué)科提供嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)支持；在對(duì)象學(xué)科中，廣大的應(yīng)用工程師在嵌入式軟硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)最廣泛的應(yīng)用。

2．5 對(duì)象學(xué)科的最終出路
　　對(duì)象學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶學(xué)科。對(duì)象學(xué)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(gè)無限大的應(yīng)用領(lǐng)域。至今，嵌入式系統(tǒng)行家不再會(huì)回答“嵌入式系統(tǒng)用在什么地方?”這樣的問題。對(duì)于對(duì)象學(xué)科來說，嵌入式系統(tǒng)只是一個(gè)智能化的工具，對(duì)象學(xué)科要在嵌入式系統(tǒng)上構(gòu)建本領(lǐng)域的一個(gè)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(xué)科的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用要求。同時(shí)，在應(yīng)用中要不斷給微電子、集成電路設(shè)計(jì)、嵌入式計(jì)算機(jī)學(xué)科提出技術(shù)要求，以便不斷提升嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的技術(shù)水平。

3 平臺(tái)模式下的學(xué)科分工

　　平臺(tái)模式是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代產(chǎn)業(yè)、科技的基本發(fā)展模式，所有的知識(shí)創(chuàng)新與創(chuàng)新知識(shí)應(yīng)用都要走平臺(tái)化發(fā)展道路。

3．1 平臺(tái)模式的由來
　　平臺(tái)模式是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的一種基本的產(chǎn)業(yè)、科技模式，是人類知識(shí)分離性規(guī)律、集成性規(guī)律發(fā)展到高級(jí)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(shí)平臺(tái)媒介下的平臺(tái)模式。只要對(duì)比上世紀(jì)60年代收音機(jī)產(chǎn)業(yè)與90年代的VCD／DVD產(chǎn)業(yè)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一體化產(chǎn)業(yè)模式與平臺(tái)產(chǎn)業(yè)模式的本質(zhì)差異。

　　上世紀(jì)60年代收音機(jī)行業(yè)中的所有企業(yè)，無一例外地都承擔(dān)起從創(chuàng)意、產(chǎn)品研發(fā)、樣機(jī)設(shè)計(jì)、樣機(jī)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(shí)代，出現(xiàn)了半導(dǎo)體廠家與鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)社會(huì)化分工的產(chǎn)業(yè)模式：半導(dǎo)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(dǎo)體廠家的技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)VCD／DVD機(jī)的大批量生產(chǎn)。半導(dǎo)體廠家絕不生產(chǎn)VCD／DVD機(jī)，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(shí)平臺(tái)。以知識(shí)平臺(tái)為中心，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)產(chǎn)業(yè)與制造產(chǎn)業(yè)的社會(huì)化分工。知識(shí)產(chǎn)業(yè)從事知識(shí)創(chuàng)新，將知識(shí)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為知識(shí)平臺(tái)，不從事知識(shí)成果的最終應(yīng)用；制造產(chǎn)業(yè)則在知識(shí)平臺(tái)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(tái)模式
　　按照知識(shí)的分離性發(fā)展規(guī)律，知識(shí)創(chuàng)新者不從事知識(shí)應(yīng)用，知識(shí)應(yīng)用者不需要了解創(chuàng)新知識(shí)原理；按照集成性發(fā)展規(guī)律要求，知識(shí)創(chuàng)新者應(yīng)該將創(chuàng)新知識(shí)成果集成到工具之中，轉(zhuǎn)化為知識(shí)平臺(tái)，知識(shí)應(yīng)用者應(yīng)該在知識(shí)平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新知識(shí)應(yīng)用。

　　在早期的嵌入式系統(tǒng)中，集成電路芯片(單片機(jī)和外圍電路)、開發(fā)裝置是半導(dǎo)體廠家提供給用戶的應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)象領(lǐng)域的電子工程師在這樣的平臺(tái)上完成嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。當(dāng)前，在四個(gè)支柱學(xué)科支持下的嵌入式系統(tǒng)，必然形成一個(gè)按平臺(tái)模式分工發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、科研生態(tài)系統(tǒng)。

　　對(duì)象學(xué)科領(lǐng)域是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶，對(duì)象學(xué)科領(lǐng)域的電子技術(shù)應(yīng)用工程師應(yīng)該在一個(gè)現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　微電子學(xué)科、嵌入式計(jì)算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科(非對(duì)象學(xué)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(xué)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(shí)平臺(tái)，如微電子領(lǐng)域的集成電路提供先進(jìn)的MCU、外圍芯片、SoC等IC平臺(tái)；嵌入式計(jì)算機(jī)學(xué)科提供集成開發(fā)環(huán)境、編程語言、算法、計(jì)算機(jī)工程方法平臺(tái)；電子工程師與微電子設(shè)計(jì)、嵌入式計(jì)算機(jī)學(xué)科、OEM廠家配合，完成嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品平臺(tái)，以及產(chǎn)品平臺(tái)的技術(shù)服務(wù)。

　　從平臺(tái)觀念出發(fā)，一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，必須在一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)。

3．3 平臺(tái)模式下的學(xué)科定位與分工
　　由于嵌入式系統(tǒng)有四個(gè)支柱學(xué)科的跨學(xué)科特點(diǎn)，每個(gè)學(xué)科在嵌入式系統(tǒng)中都會(huì)體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)與弱勢(shì)，因此，嵌人式系統(tǒng)中有一個(gè)學(xué)科定位與交叉融合問題。“學(xué)科定位”體現(xiàn)在每個(gè)學(xué)科利用自己的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在自己的學(xué)科基礎(chǔ)上，介入嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展；“交叉融合”是在學(xué)科定位的基礎(chǔ)上，不斷了解其他學(xué)科對(duì)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(shí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)最佳的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

　　由于各學(xué)科的交叉融合，每個(gè)學(xué)科的團(tuán)隊(duì)建設(shè)，應(yīng)在自身學(xué)科基礎(chǔ)上，吸收一定比例的其他學(xué)科人員。例如近年來，在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域吸收了不少嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才；在高等學(xué)校計(jì)算機(jī)學(xué)院設(shè)立嵌入式系統(tǒng)專業(yè)時(shí)，引進(jìn)了許多對(duì)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(gè)支柱學(xué)科的定位，除了學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的定位外，還要體現(xiàn)出在知識(shí)平臺(tái)模式中的定位。這種平臺(tái)模式的定位，是一種3+1的定位。即微電子學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科為嵌入式應(yīng)用構(gòu)筑各種類型的應(yīng)用平臺(tái)，不介入嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用；對(duì)象學(xué)科一定要在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在本學(xué)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(tái)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(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域，但是要構(gòu)建一個(gè)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(diǎn)與應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)能夠預(yù)見未來的MCU芯片中的固件化趨勢(shì)；在對(duì)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(diǎn)，以便芯片技術(shù)到達(dá)一定階段后，納入集成電路設(shè)計(jì)中。

　　嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)無限大的空間，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，都有無限廣闊的發(fā)展空間，關(guān)鍵是把握好自己的“定位”與“分工”，了解學(xué)科的“交叉”與“融合”。