从现代计算机视角看嵌入式系统(1)——嵌入式系统与现代计算机



从现代计算机视角看嵌入式系统(1)
——嵌入式系统与现代计算机

北京航空航天大学 何立民

过去，我们都是孤立地研究通用计算机发展史与嵌入式系统发展史，如今可以从现代计算机的统一发展史，来研究通用计算机与嵌入式系统的发展史。通用计算机与嵌入式系统是现代计算机的两大分支，它们的源头是图灵计算机思想，基础是微处理器。微处理器的两大分支衍生出通用微处理器基础上的通用计算机与嵌入式处理器基础上的微控制器(即嵌入式系统)。

嵌入式处理器、微控制器、单片机、嵌入式系统，它们本质相同，都源于微处理器，是微处理器的一个分支，具有智力控制、单片形态、嵌入式应用等特征。在不同时期，突出不同特征时，形成了不同的称谓。

嵌入式系统发展史，上溯至图灵机，下连现代计算机与通用计算机。因为图灵机奠定了微处理器的人工智能结构体系。现代计算机是微处理器基础上的人工智能机，通用计算机与嵌入式系统是现代计算机的一对孪生兄弟。微处理器诞生后，随即分化成通用微处理器(MPU)与嵌入式微处理器(MCU)。前者构成了通用计算机，后者成为嵌入式应用的嵌入式系统。

通用计算机用于实现人类智力仿真，嵌入式系统用于人类工具的智能化，从而导致它们在体系结构、技术内涵、应用方式、发展方向上不可兼容。

至今，嵌入式系统还没有明确的定义。本文尝试对现代计算机和嵌入式系统加以定义，在明确定义的基础上讨论嵌入式系统。

1什么是现代计算机？

谈到计算机，许多人会想到“计算机器”，并上溯到人类历史上的计算工具，如算盘、手摇计算器、模拟计算机等。实际上，我们今天普遍使用的计算机与这些计算机并无任何瓜葛。计算机的源头，是20世纪30年代的图灵机，因此，严格来说，计算机不是数值计算机，而是人工智能机，故称它为现代计算机。

将人工智能与“计算”联姻，是20世纪30年代图灵学者们的最大功绩。一切事物皆可计算的“可计算原理”奠定了现代计算机软硬件的理论基础，图灵机模型成为现代计算机最原始的体系结构。

图灵机30年的超前思想，并未给图灵带来应有的荣誉，他生前未能看到图灵机的实用化成果，因为当时的电子器件无法构成完善、可靠的图灵机。1946年的电子管计算机、1956年的晶体管计算机，虽然验证了图灵机的思想，但离人工智能机的智力仿真与工具智能化的梦想仍十分遥远。智力仿真的计算机系统，应该是普通价位的桌面系统；智能化工具的计算机系统应该是具有极低价位、微小体积的嵌入式系统。1946年诞生的第一台电子计算机ENIAC，使用了18 000个电子管，占地167 m2、重30吨、耗电160 kW；1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090，成为当时的巨型机。它们都无法实现人类智力仿真与工具智能化的梦想，直到微处理器诞生。

1958年，仙童公司的罗伯特·基尔比和德州仪器公司的杰克·基尔比，先后发明了集成电路。随后，集成电路迅速取代晶体管。集成电路的一个奇迹是1971年诞生的微处理器Intel 4004，一颗米粒大小的芯片内核竟然与占地167 m2、重30吨、耗电160kW的第一台电子计算机ENIAC功能相同，表明在集成电路基础上，图灵机有可能完成从人工智能机模型到人工智力内核的最终转变。

如果说图灵机只是人工智能机的一个概念模型，微处理器则是一个完善的归一化智力内核。如果说Intel 4004只是微处理器的探索，那么1972年8位微处理器8008的诞生，宣告人类正式进入到微处理器基础上的现代计算机时代。

微处理器是人工智能机的智力内核，它既要满足智力仿真，又要满足人类工具智能化的梦想。因此，8008诞生后，迅速形成了通用微处理器与嵌入式处理器两大分支，以及通用微处理器基础上的通用计算机与嵌入式处理器基础上的嵌入式系统。由于智力仿真与工具智能化的目标不同，开始了通用计算机与嵌入式系统南辕北辙的发展道路。形态上，通用计算机迅速演化成桌面系统；嵌入式系统则坚持走极低价位、微小体积的单芯片系统道路。体系结构上，通用计算机软硬件分离；嵌入式系统软硬件一体化，软件固化在程序存储器中。技术发展方向上，通用计算机以高速、海量数值计算为主，并配以相应的外部设备；嵌入式系统着力开发控制功能，发展相应的控制模块与接口技术，并不断将它们集成到芯片中。应用方式上，通用计算机以桌面方式实现人类智力仿真；嵌入式系统则嵌入到对象(工具)体系中，实现对象体系的智能化。

由此可知，通用计算机系统与嵌入式系统，是现代计算机的两大分支，也是微处理器基础上的一对孪生兄弟。虽是孪生兄弟，却差异很大，发展方向也是南辕北辙。

2什么是嵌入式系统？

嵌入式系统源于微处理器，有着40年的复杂演化历程。20世纪90年代末，“嵌入式系统”一词才开始流行。在嵌入式系统业界看来，嵌入式系统从来就是一个模糊概念，也无人给它以确切的定义。记得1999年在杭州举行的全国单片机学术会议上，有人建议将单片机改成嵌入式系统，引来了巨大的纷争。即便是“嵌入”两字，也出现了“in”和“to”之争。20世纪90年代末，“嵌入式系统”一词才开始流行，由此造成了人们对“嵌入式系统”认识上的模糊。

目前被广泛引用的嵌入式系统定义，并不是业界的定义。根据IEEE(国际电机工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。从中可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。显然这只是对嵌入式系统的描述，而非定义。首先，在这个定义中没有明确的“非它莫属”的边界条件，因为在许多传统电子系统中，控制、监视或者辅助机器和设备运行的装置并不是嵌入式系统。另外，“专用计算机系统”的说法容易混淆嵌入式系统与通用计算机系统的本质差异。

嵌入式系统本质上是智能控制机，因此，可以将嵌入式系统简单地定义成“嵌入到对象体系中，以实现对象体系智能化控制的一个智力内核”。这个智力内核的最初形态，是诞生于1976年的嵌入式处理器，后经系统配置、接口技术的不断集成与演化，经历了传统电子系统智能化改造的单片机时代，电子技术、计算机技术、通信技术交叉融合的嵌入式系统时代，以及物联网、云计算、大数据大科技的嵌入式系统服务时代。40年来，尽管嵌入式系统本身及其服务领域产生了巨大的变化，但嵌入式系统的“智力内核”、“对象嵌入”、“智能控制”的三大特征依然不变。

把嵌入式系统看成是一个通用智力内核，是因为它不是一个产品系统，而是构成智能产品系统中的一个通用智力核心。我们可以看到，许多不相干的智能化产品中都有相同或相似的微控制器内核，把嵌入式系统看成是一个通用智力内核的嵌入式应用，才有了嵌入式系统的集成开发环境、嵌入式技术等说法。

3三位一体的嵌入式系统

嵌入式系统诞生于20世纪70年代，“嵌入式系统”一词却出现在90年代，这似乎是一个十分奇特的现象。

嵌入式系统的源头是诞生于1976年的微控制器，“单片、嵌入、控制”是嵌入式系统的本质特点，因此，“微控制器”、“单片机”、“嵌入式系统”是嵌入式系统的3个真身。至今，不少人在不同领域都同时在使用这3个名词，也多多少少地代表了某个时代的特征。

1972年8位微处理器8008诞生，引发了通用微处理器与嵌入式处理器应用热潮。在通用微处理器领域，1973年，Intel推出了8088，1981年IBM在它的基础上推出了第一代通用计算机，即IBM-PC；在嵌入式处理器领域，则呈现出了微控制器的百花齐放态势，如1974年仙童公司的F8、1976年Intel的MCS-48、1977年GI公司的PIC1650、1978年Rockwell公司的6500、Motorola公司的6801与Zilog公司的Z8。1980年MCS-51问世后，开始了嵌入式系统20年之久的单片机时代。

20多年前，将嵌入式系统看成是单片机是有道理的。它首先将“现代计算机系统”以单芯片方式展现给世人，人们以单片机为核心，构成最小系统，嵌入到对象体系中，实现对象体系的智能化控制。当时流行过“Single Chip Microcomputer”或“Single Chip Microcontroller”词语，中文则直译为“单片机”。另外，此时单片机技术主要流行于对象领域，用于传统电子系统的智能化改造，从事单片机应用的主要群体是电子工程师，与传统的分离电子器件相比，他们更青睐于“单片机”的概念。然而，单片形态只描述了嵌入式系统单芯片的形态特点，无法表达嵌入式系统“智能控制”、“嵌入式应用方式”等诸多特点，于是又有了“MCU(Micro Controller Unit)”、“Embedded System”这些名词术语。

进入21世纪后，“单片机”用语逐渐衰退，代之以“嵌入式系统”也是有道理的。因为这时传统电子系统的智能化改造基本完成，即将进入到一个智能电子系统的创新时代，电子工程师已力不从心，急需计算机工程技术的介入，如操作系统、高级语言、集成开发环境、计算机工程方法等；后PC时代，单片机应用的巨大市场也在吸引众多的计算机界人士，计算机界人士进入单片机领域后，他们更愿意使用“嵌入式系统”一词。从某种意义上讲，“嵌入式系统”意味着单片机进入到电子技术、计算机技术、通信技术的交叉融合时代。“单片机”只突出单片形态，而“嵌入式系统”只描述了嵌入式应用特征，没有全面表现嵌入式系统的智能化控制特征。因此，有人建议将它改称为“智能电子系统”，但智能电子系统易与产品系统相混淆，因为嵌入式系统是一个通用智力内核，并不是一个最终的产品系统。

4嵌入式系统的基本特点

嵌入式系统的基本特点是单片、嵌入与智能化控制，也是实现工具智能化的3个基本要求。

单芯片形态是嵌入式系统固守的形态特征。从最早的MCS-48到MCS-51的完善，随后的80C51的功能扩展、总线配置，到如今的多核系统，无不遵循SoC的最大

化发展模式。在嵌入式系统的技术发展道路上，众多前沿技术早期往往都是MCU的外围扩展电路，但最终都会进入MCU片内，如早期的ADC、DAC、程序存储器、数据存储器，以及后来的实时时钟、时钟系统、信号调理、网络接口、多机总线等。单芯片形态既有利于提高系统的整体可靠性，又可极大程度降低系统成本。

嵌入式应用，突出了它的应用方式与应用特点。嵌入式系统作为一个智力内核，通常都要嵌入到对象系统中以实现对象系统的智能化。早期，传统电子系统智能改造时期，这一特点十分明显，老百姓将嵌有单片机的家用电器称为带电脑的家用电器(如带电脑的电冰箱、洗衣机、微波炉等)。后来，出现了许多创新型智能化电子系统(如MP3、PDA、智能手机、iPod等)，其嵌入对象并不明显，以至于有人混淆了嵌入式系统与产品系统的界线。例如，所有智能手机厂家，尽管手机产品各异，但它们都有相同或相似的产品平台，许多手机厂家在联发科的MTK手机平台上开发出形形色色的手机型号。这一切都表明，嵌入式系统不是一个产品系统。

智能化控制，表明所有智能化工具都有相似的、相对独立的智能化控制单元，这个智能化控制单元就是嵌入式系统。

参考文献

[1] 何立民.嵌入式系统的定义与发展历史[J] .单片机与嵌入式系统应用,2004(1).

[2] 何立民.从嵌入式系统看现代计算机产业革命[J] .单片机与嵌入式系统应用,2008(1).

[3] 何立民.微处理器智力内核使一切成为可能[J] .电子产品世界,2009(1).

安森美半导体加快物联网边缘设备创新

安森美半导体(ON Semiconductor)，将重点围绕Intel Quark处理器系列，用于一系列宽广的物联网(IoT)应用。扩展Intel Quark处理器至物联网，延伸了智能计算至要求低功耗的新系列器件，可应用于传感器输入和数据驱动。Intel Quark处理器为物联网提供灵活的、低功耗计算，用于一系列宽广的小外形应用，为下一波智能物联网提供低成本连接、集成和兼容性。

安森美半导体结合Intel Quark处理器及公司的电机驱动和领先业界的电源管理方案，以及广博的电机控制算法知识，为无刷直流(BLDC)和交流变频电机实现直接转矩控制的空间矢量调制(DTC-SVM)电机控制平台。该平台配以安森美半导体的智能功率模块(IPM)，采用Intel Quark微控制器D1000，支持低速和高转矩的高动态性能，显著减少开关损耗，并大大缩短延迟。

安森美半导体公司策略及营销副总裁David Somo说：“我们与Intel的合作，已加快系统架构的进展，并提升用于一系列应用的电机控制方案的整体性能。Intel的IA架构涵盖了边缘到云计算系列，并受惠于全面的开发工具生态系统，可简化和加速客户的开发工作。”

收稿日期：(责任编辑：薛士然2015-09-23)