从现代计算机视角看嵌入式系统(4)——嵌入式系统40年发展史

北京航空航天大学　何立民



从现代计算机视角看嵌入式系统(4)

——嵌入式系统40年发展史

北京航空航天大学何立民

从Intel公司1976年的MCS-48诞生算起，微控制器已有40年的发展史。微控制器是微处理器应智能化控制需求演化出来的一个分支，突出了它的控制功能，应称之为微控制器(MCU)。微控制器具有单芯片形态、嵌入式应用方式，历史上曾广泛称它为单片机，现在，许多人都称它为嵌入式系统。

1　Intel的历史功绩

Intel公司1971推出的第1个微处理器4004虽然没有实用化，却是现代计算机发展史的里程碑事件。如果说图灵机是现代计算机的第1个里程碑事件，那么，微处理器诞生便是第2个里程碑事件。图灵机奠定了现代计算机的思想理论基础，微处理器实现了图灵机人工智力内核的梦想,其后便是现代计算机40年飞速发展的时代。

现代计算机的第3个里程碑事件，是Intel公司对通用微处理器与嵌入式处理器的探索。Intel是同时从事通用微处理器与嵌入式处理器探索并取得成功的公司。其在通用微处理器领域的贡献众所周知，在嵌入式处理器领域，虽然许多公司推出众多微控制器产品，但只有Intel公司的MCS-51成为微控制器的经典体系，影响至今。

Intel公司最后一个仍可称之为里程碑事件的行为，是MCS-51的开放与割舍。有人为Intel公司对MCS-51的割舍感到惋息，实际上这却是Intel公司的英明之举。事实证明，在放弃MCS-51后，Intel公司在通用微处理器领域迅速取得成功，并垄断了全球的PC机市场。

从图灵机到微处理器，从微处理器到通用处理器与嵌入式处理器两大分支，现代计算机有其自身的发展规律。从图灵机到电子计算机，完成了图灵机的理论探索，微处理器诞生后才找到实用化的理想道路。微处理器诞生后，迅速形成两大分支的发展态势，使现代计算机开始了蓬勃的发展道路。如果Intel公司当年不放弃MCS-51，专注于通用微处理器，也许无法击退竞争对手AMD，MCS-51也不会迅速成长为80C51公共主流系列。Intel的贡献使人类社会受益。

2　嵌入式系统的发展史

嵌入式系统这一词语被频繁使用还是20世纪90年代的事。嵌入式系统发展史应从微控制器诞生讲起，因为嵌入式系统主要是微控制器系统。

除了智慧、内核、集群等基本特点外，微控制器还有单机形态、嵌入方式、对物理对象的感知与控制等应用上的特点。了解这些特点有助于理解嵌入式系统的发展史。

从应用的视角，可以用粗略的线条将40年微控制器的发展史划分为3个大的时代，即单片机时代、嵌入式系统时代、物联网时代。

2.1单片机时代

在微控制器诞生后最初的20年，是微控制器的单片机时代。微控制器诞生后，迅速进入电子技术领域，成为传统电子系统智能化改造的利器。电子工程师是微控制器应用的主流群体，他们习惯性地将微控制器看成是单个芯片的智能器件，称之为单片机(单片微控制器或单片微型计算机)。事实上，在传统电子系统智能化改造中，所有单片机都体现为嵌入式应用。这一时期，由于电子工程师单打独斗，缺乏计算机的理论基础与计算机工程方法，微控制器也较原始，工程师应用开发水平不高，主要是汇编级的软件编程，很少使用操作系统。

2.2嵌入式系统时代

从20世纪90年代中期开始，微控制器应用进入到嵌入式系统时代。随着传统电子系统智能化改造日渐火爆，众多计算机界人士开始介入单片机领域。由于计算机人士的不断增多，高级语言、操作系统、集成开发环境、计算机工程方法逐渐普及。计算机界人士不习惯“单片机”称谓，更愿意使用嵌入式系统一词，致使“嵌入式系统”称谓流行至今，可以看出，嵌入式系统时代是电子技术与计算机技术交叉融合的发展时代。此后，人们习惯性地将微控制器系统称作嵌入式系统，有些业内专家认为“单片机”片面突出单片形态，“嵌入式系统”片面突出嵌入式应用，建议改名为智能电子系统，但智能系统又易于与产品系统混淆。

2.3物联网时代

在经历了20年的单片机时代、近15年的嵌入式系统时代后，微控制器及其应用技术日趋成熟。嵌入式系统经历了单机物联、分布式物联、总线物联、局域物联网，将互联网推进到物联网后，嵌入式系统便从以往的独立产业进入到物联网的应用服务时代。嵌入式系统成为物联网、大数据、云计算等大科技中的一个成员。

3　Intel对微控制器的贡献

微控制器与通用计算机都源于微处理器，但它们的体系结构和演化道路却截然不同。通用计算机完全在通用微处理器的演化道路上前行；微控制器则经历了探索、完善、百花齐放、产业转型4个发展阶段。与此同时出现了微控制器(Microcontroller Unit)、嵌入式系统(Embedded System)的演化历程。

3.1微控制器的探索

最早的微控制器探索，应该是1974年仙童半导体公司的F8系列。F8并非单片形态，它是由8位CPU与3851(1 KB ROM、定时/计数器和两个并行I/O口)两个芯片构成，确立了微控制器数据存储器与程序存储器分开的哈佛结构。由于此时的仙童公司处于低谷时期，F8系列没有得到进一步完善。

其后，众多的半导体厂家开始了微控制器的探索,其主导思想是单芯片的内核化探索，即在微处理基础上，设计出用于智能化控制的单芯片计算机。这一时期出现了两种不同的探索道路，即与通用微处理器兼容的嵌入式微处理器和独创的单片微控制器。

与通用微处理兼容的嵌入式微处理器的典型代表是1978年Motorola公司推出的6801系列。6801与通用微处理器MC6800兼容，它将MC6800系列的6800(CPU)+6875时钟+6810(128 B RAM)+2×6830(1 KB ROM)+1/2并行I/O 口6821+1/3(定时/计数器)+6805(串行I/O口)整合成一个可以用于控制的单芯片微型计算机。

1976年，富有创造精神的Intel公司独辟蹊径，开始了全新体系结构的单芯片微控制器的探索，推出了MCS-48系列。在获得成功后，迅速完善到MCS-51，使其成为微控制器的经典体系结构。

3.2微控制器完善至经典体系

在探索阶段，仙童公司的F8后继无力，Motorola公司的6801系列并不理想，具有全新微控制器体系结构的MCS-48获得成功后迅速完善到MCS-51，确立了用于智能化控制的单芯片专用体系结构。在这个专用体系结构中，采用了数据空间与程序空间独立的哈佛结构。哈佛结构保证了被固化的软件不受病毒侵袭；完善了总线结构，包括内部16位寻址的两个独立空间的8位并行总线，以及用于外部通信的串行通信总线、用于外部扩展的并行总线、用于外部交互的I/O端口；完善了用于控制的指令系统，突出了控制功能，增加了位操作指令；所有功能单元，包括后续可能扩展的功能单元，采取了特殊功能寄存器SFR的集中管理模式，方便了微控制器外部系统配置与系统扩展的应用要求。

图1描述了MCS-51微控制器系统的经典体系结构。

图1　MCS-51微控制器系统的体系结构

微控制器是在嵌入式微处理器基础上，在内部总线支持下，通过外围功能单元扩展而成，SoC化是其主要发展趋势。微控制器有4个与外部交互的接口通道：前向通道、后向通道与物理对象相连，是物理对象感知与控制的交互接口；交互通道，是实现人-机交互的接口；信息通道，是与其他应用系统交互的通信接口，用于实现微控制器的多机通信。

3.3完善了微控制器的应用环境

MCS-51问世后，不仅为用户提供了完善的体系结构，而且还提供了完善的应用环境。Intel为用户提供的应用环境有：满足不同应用的3种供应状态，即程序指令的掩膜状态、ROM烧写状态与EPROM烧写状态；用于产品开发的ICE在线仿真器(ICE-51)；用于汇编语言程序设计的宏汇编ASM-51；用于用户程序管理的实时任务操作系统iRMX-51。另外，为适应分布式多机系统通信需要，还衍生出具有位总线(BIT BUS)的RUPI-44系列(8051+串行通信接口单元，支持HDLC/SDLC协议)微控制器。

这些优异的应用环境使电子工程师们能迅速从传统电子系统时代迈进智能电子时代。

4　微控制器的进化历程

Intel公司在完善了MCS-51后，错误地认为应该向16位微控制器进军，便和著名的电器商Philips公司合作，探索16位微控制器。由于理念上的差异，导致两者分道扬镳。Intel公司推出了16位微控制器MCS-96；Philips公司为满足智能化电器产品的应用需求，着力于提高MCS-51应用水平。分手后，Intel公司同意向Philips公司免费开放MCS-51，受免费开放政策影响，众多半导体公司参与到MCS-51体系结构深度开发中，将MCS-51推进到众多半导体公司参与开发的80C51时代。

80C51时代中有几件值得提及的大事件，即Philips等公司大力提升微控制器功能，Atmel公司将微控制器推进至Flash ROM时代，以及20世纪末Cygnal公司对80C51脱胎换骨的改造。

4.1半导体厂家大力提升微控制器功能

半导体厂家在推动80C51不断进化中，主要完成的重大工作有：满足嵌入式应用要求的众多外围功能集成，如WDT、PWM、ADC、高速I/O口、计数器捕捉/比较等；满足系统中芯片扩展的串行扩展总线，如目前大量使用的Philips公司的I2C总线、Motorola公司的SPI以及Dallas公司的单总线1-Wire总线;满足微控制器应用系统集群的德国BOSCH公司的CAN总线以及其他现场总线等。

4.2Atmel公司微控制器的Flash ROM时代

Atmel公司用Flash ROM作为程序存储器推出的89C51系列，为众多嵌入式应用系统开发提供了一种灵活、高效、价廉的方案，将80C51推进到Flash ROM时代。

89C51起源于我国原电子工业部的北京集成电路设计中心，他们在设计国产化80C51单片机后，寻找产业化合作伙伴时，Atmel公司主动提出将Flash ROM植入国产的80C51中，并更名为89C51，产权为双方共有。在中国大陆89C51最初的品牌不是AT89C51，而是由北京集成电路设计中心冠名。后来由于经营不善，北京集成电路设计中心放弃了89C51之后，才改名为AT89C51，被Atmel公司独有。

4.3Cygnal对80C51的全面革新

20世纪末，Cygnal公司对80C51体系结构进行了彻底改造，使之成为顶尖的8位微控制器C8051F系列，使80C51进入到又一个新的辉煌时代。Cygnal公司对80C51体系结构的改造有：

① 对80C51 CPU内核实施改造，实行指令运行的流水作业，使指令运行速度提高到原来的12倍，成为8位高速微控制器；

② 设置用户可配置的交叉开关，使I/O接口从功能固定方式提升至可随意选择的功能设置；

③ 从单一固定系统时钟到可编程选择的时钟系统，使微控制器在运行过程中可随意选择时钟状态；

④ 从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试，并为在系统测试提供边界扫描功能；

⑤ 把80C51单一的外部复位发展成多源复位系统，如上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位等；

⑥ 有最小功耗系统设计的最佳技术支持，如降低供电电压(从5 V到3 V)、时钟系统可任意选择、复位系统可随意唤醒来灵活设置低功耗模式。

4.4从80C51到ARM的产业变革

21世纪初，微控制器领域的一个重大事件是从80C51主流系列到ARM主流系列的变迁。究其原因，除了嵌入式高端需求拉动的技术因素外，产业变革是一个重要的内在因素。此前，所有从事微控制器的半导体厂家都是实体产业公司，都有自己的微控制器设计团队，设计与生产自己公司的微控制器，从而形成了百花齐放的微控制器产业发展趋势。

而ARM公司一反传统的微控制器产业模式，从公司成立之初，便摒弃实体产业，专注发展微处理器知识产权，即只专注于发展微处理器技术，不从事微处理器生产，从而成为雄据众多半导体之上的上游产业。先进技术水平的ARM系列与上游产业的优势吸引了众多的半导体厂家，他们纷纷在ARM公司授权的ARM系列架构基础上生产本公司的微控制器。

ARM系列大量使用后，由于成本下降，不断侵蚀80C51的原有领域，80C51逐渐失去微控制器应用系统的主流地位。

在ARM系列不断侵蚀80C51原有领域时，并不代表80C51末日到来。在无限大的嵌入式系统应用领域中，80C51另辟蹊径，转战智能器件领域。

今天，智能传感器、无线收发器件领域，已成为80C51的主流阵地。

[1] 苏伟斌.INTEL八位单位机的发展与现状[C]//第三届全国单片机学术交流会论文集,1990:1.

[2] 梁合庆.单片微机发展趋势[C]//1996年全国单片微机学术交流会论文集,1996:4.

[3] 何立民.从Cygnal C8051F看8位单片机发展之路[J].单片机与嵌入式系统应用,2002(5).

(责任编辑：薛士然2015-10-24)