嵌入式系统支柱学科的交叉与融合

嵌入式系统支柱学科的交叉与融合

嵌入式系统的概念源于微型计算机的嵌入式应用。早期的嵌入式系统探索过工控机、单板机、微机单片化的专用计算机的形式，随后走上了独立的发展道路。嵌入式系统不是专用计算机系统。嵌入式系统尚未形成独立的学科体系，它的支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象学科。四个支柱学科形成了平台模式下的交叉与融合。剔除嵌入式系统的“专用计算机”观念，有利于嵌入式系统的健康发展。

关键词  嵌入式系统  学科体系  平台模式  对象学科

1  嵌入式系统简史

1.1  嵌入式系统的诞生

　　嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。直接在嵌入式处理器与外围集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。即便有处理器内核，也是嵌入式处理器而非通用微处理器。下面用图1来解释嵌入式系统不是专用计算机。

图1  嵌入式系统的诞生、探索与发展

　　现代计算机是在微处理器基础上诞生的微型计算机。微型机诞生后，以其小体积、低价位、高可靠性，迅速走出机房，引发了大型机电设备的智能化控制要求。要求将微型计算机嵌入到大型机电设备中，承担起大型机电设备的智能化控制，这样的微型计算机便成为嵌入到特定机电系统中的专用计算机。为了与通用计算机系统相区别，把这种专用计算机称为“嵌入式计算机系统”。从嵌入式系统概念诞生于微型机的事实出发，早期可以认为嵌入式系统是专用计算机系统。

1.2  专用计算机探索的失败之路

　　嵌入式系统诞生后，为了满足对象系统最广泛的嵌入式应用要求，不断探索嵌入式系统的应用模式，早期都是按照专用计算机的工控机、单板机、微机单片化的思路发展。

　　工控机是将微型计算机进行机械加固、电气加固后，作为嵌入式系统应用，无法满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠、对象耦合性好的基本要求。随后，出现了板级状态的微型计算机（单板机），减小了计算机体积、降低了价位，迅速掀起了传统电子系统的智能化改造热潮。

　　无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。人们便直接将微型计算机体系结构进行简化，集成到一个半导体芯片中，做成单片微型计算机。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。单片微型计算机彻底解决了嵌入式系统的极小体积、极低价位，但在高可靠性及对象可控性方面没有本质上的改进。国外将芯片化的微型计算机称作Single Chip Microcomputer。

　　作为工业控制的嵌入式应用，高可靠性、对象耦合性至关重要，它已跳出传统计算机的应用要求。例如，嵌入式系统从一开始就把“死机”、“实时性”作为重要的技术问题，把与对象系统电气连接的总线、接口、系统配置作为重要的技术发展方向。因此，嵌入式系统必须摆脱“专用计算机”的羁绊，走独立的“微控制器”道路。实践证明，通用微控制器基础上的工控机、单板机、单芯片化的专用计算机的发展道路是行不通的。

1.3  嵌入式系统的独立发展道路

　　嵌入式系统的微控制器（MCU）发展道路，是一条摆脱“专用计算机”羁绊，独立发展的道路。这是一条由Intel MCS51单片机、iDCX51实时多任务操作系统开辟的单片机独立发展的道路。MCS51是一个在微电子学、集成电路基础上，按照嵌入式应用要求，原创的嵌入式处理器。MCS51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器（SFR）的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础；iDCX51是专门与MCS51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。

　　MCS51开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。这是一个微控制器时代，国外及时、准确地将“Single Chip Microcomputer”改称为“Microcontroller Unit”。这不是文字游戏。

　　嵌入式系统进入单片机发展时代，最重要的技术发展热点是，全面满足嵌入式应用要求的扩展总线、通信总线；软件的实时性要求；与对象体系相连接的传感器接口、伺服驱动接口、人机接口与通信接口；满足低功耗管理要求的时钟系统、电源管理系统与低功耗方式；可以满足多种状态激励的中断系统等。

　　在单片机时代，嵌入式系统主要用于传统电子系统的智能化改造，形成了半导体厂家与对象系统电子工程师的应用时代。更贴切地说，单片机应用系统是一个智能化的现代电子系统。

　　由于嵌入式系统的广泛应用，以及半导体集成电路提供的多种支持，在嵌入式系统领域又出现了DSP及PLD的解决方案（见图1）。DSP突出信号处理功能，与嵌入式处理器相结合，成为嵌入式系统的一个重要分支；PLD则提供了门阵列半定制的嵌入式应用系统的解决方案，并形成了SoPC、FPGA/CPLD的两大分支。无论是哪个技术发展方向，SoC都是嵌入式应用系统的统一归属。

　　当前，否定嵌入式系统的专用计算机概念，具有重要的现实意义。它有利于四个支柱学科在嵌入式系统中的正确定位与交叉融合。

2  嵌入式系统的四个支柱学科

　　目前，嵌入式系统尚未形成独立的学科体系。从“嵌入式系统”的诞生、独立的单片机发展道路、微控制器技术发展的内涵、嵌入式系统的多种解决方案来看，“嵌入式系统”是四个支柱学科的交叉与融合，并以平台模式进行学科定位与分工。

2.1  四个支柱学科的关系图解

　　嵌入式系统的四个支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科、对象学科，它们的关系如图2所示。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科，计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。

图2  嵌入式系统四个支柱学科的交叉与融合

2.2  领衔的微电子学科

　　微电子学科与半导体集成电路的领衔作用，在于它为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术学科、计算机学科的许多重要成果，最终都会体现在集成电路中，从早期的数字电路集成，到如今的模数混合、软/硬件结合、以IP为基础的知识与知识行为集成。

2.3  为平台服务的计算机学科

　　现代计算机出现后，在计算机学科中形成了两大学科分支，即通用计算机学科与嵌入式计算机学科。通用计算机学科与嵌入式计算机学科有不同的技术发展方向与技术内涵。由于嵌入式计算机学科与对象学科、微电子学科紧密相关，而嵌入式计算机学科与原有计算机学科内容有较大差异，不能用通用计算机的概念来诠释嵌入式系统，因此、嵌入式计算机要加强与微电子学科、电子学科、对象学科的沟通，共同承担起嵌入式系统新学科的建设任务。

　　在嵌入式系统中，计算机学科要承担起嵌入式系统应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工程方法、编程语言、程序设计方法等内容。

2.4  广泛服务的电子技术学科

　　在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最广泛的技术服务。电子技术将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成；为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；在对象学科中，广大的应用工程师在嵌入式软硬件平台上实现最广泛的应用。

2.5  对象学科的最终出路

　　对象学科是嵌入式系统的最终用户学科。对象学科几乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。至今，嵌入式系统行家不再会回答“嵌入式系统用在什么地方？”这样的问题。

　　对于对象学科来说，嵌入式系统只是一个智能化的工具，对象学科要在嵌入式系统上构建本领域的一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是本学科的基础理论与应用环境、应用要求。同时，在应用中要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式计算机学科提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。

3  平台模式下的学科

　　分工平台模式是知识经济时代产业、科技的基本发展模式，所有的知识创新与创新知识应用都要走平台化发展道路。

3.1  平台模式的由来

　　平台模式是知识经济时代的一种基本的产业、科技模式，是人类知识分离性规律、集成性规律发展到高级阶段上的必然现象。它将一体化的产业、科技模式变革为知识平台媒介下的平台模式。只要对比上世纪60年代收音机产业与90年代的VCD/DVD产业，就会发现一体化产业模式与平台产业模式的本质差异。

　　上世纪60年代收音机行业中的所有企业，无一例外地都承担起从创意、产品研发、样机设计、样机生产、批量投产的全过程，遵循着封闭的一体化产业模式。到了90年代的VCD/DVD时代，出现了半导体厂家与乡镇企业社会化分工的产业模式：半导体厂家将VCD/DVD创意转化成VCD/DVD的软硬件套件，乡镇企业购买VCD/DVD的软硬件套件，并在半导体厂家的技术支持下实现VCD/DVD机的大批量生产。半导体厂家绝不生产VCD/DVD机，乡镇企业绝不从事VCD/DVD的技术研究。VCD/DVD的软硬件套件就是VCD/DVD技术的知识平台。以知识平台为中心，实现了知识产业与制造产业的社会化分工。知识产业从事知识创新，将知识创新成果转化为知识平台，不从事知识成果的最终应用；制造产业则在知识平台基础上完成创新成果的最终应用。

3.2  嵌入式系统的平台模式

　　按照知识的分离性发展规律，知识创新者不从事知识应用，知识应用者不需要了解创新知识原理；按照集成性发展规律要求，知识创新者应该将创新知识成果集成到工具之中，转化为知识平台，知识应用者应该在知识平台基础上实现创新知识应用。

　　在早期的嵌入式系统中，集成电路芯片（单片机和外围电路）、开发装置是半导体厂家提供给用户的应用平台，对象领域的电子工程师在这样的平台上完成嵌入式系统的应用。当前，在四个支柱学科支持下的嵌入式系统，必然形成一个按平台模式分工发展的产业、科研生态系统。

　　对象学科领域是嵌入式系统的最终用户，对象学科领域的电子技术应用工程师应该在一个现成的嵌入式系统平台上实现嵌入式应用系统设计。

　　微电子学科、嵌入式计算机学科、电子技术学科（非对象学科领域中的应用工程师）不是嵌入式系统最终用户，这些学科的重要任务是将创新科技成果转化成形形色色的知识平台，如微电子领域的集成电路提供先进的MCU、外围芯片、SoC等IC平台；嵌入式计算机学科提供集成开发环境、编程语言、算法、计算机工程方法平台；电子工程师与微电子设计、嵌入式计算机学科、OEM厂家配合，完成嵌入式系统的产品平台，以及产品平台的技术服务。

　　从平台观念出发，一个优秀的嵌入式系统产品，必须在一个优秀的嵌入式系统平台基础上开发。

3.3  平台模式下的学科定位与分工

　　由于嵌入式系统有四个支柱学科的跨学科特点，每个学科在嵌入式系统中都会体现出它的优势与弱势，因此，嵌入式系统中有一个学科定位与交叉融合问题。“学科定位”体现在每个学科利用自己的学科优势，在自己的学科基础上，介入嵌入式系统的发展；“交叉融合”是在学科定位的基础上，不断了解其他学科对嵌入式系统的技术发展要求，以便为嵌入式系统构筑最佳的知识平台，实现最佳的嵌入式系统应用。

　　由于各学科的交叉融合，每个学科的团队建设，应在自身学科基础上，吸收一定比例的其他学科人员。例如近年来，在集成电路设计领域吸收了不少嵌入式应用系统设计人才；在高等学校计算机学院设立嵌入式系统专业时，引进了许多对象领域中的嵌入式系统的应用型人才。

　　嵌入式系统中四个支柱学科的定位，除了学科知识结构的定位外，还要体现出在知识平台模式中的定位。这种平台模式的定位，是一种3+1的定位。即微电子学科、计算机学科、电子技术学科为嵌入式应用构筑各种类型的应用平台，不介入嵌入式系统的具体应用；对象学科一定要在嵌入式系统应用平台基础上，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用，不必介入嵌入式系统的平台构建。例如，就嵌入式操作系统而言，操作系统的构建应该定位在计算机学科领域，但是要构建一个优秀的嵌入式操作系统，必须了解嵌入式的应用特点与应用环境，同时能够预见未来的MCU芯片中的固件化趋势；在对象领域中，把操作系统视为工具，只须了解操作系统性能与应用界面；微电子技术专家要了解嵌入式操作系统与应用软件特点，以便芯片技术到达一定阶段后，纳入集成电路设计中。

　　嵌入式系统是一个无限大的空间，不论是嵌入式系统平台构建还是嵌入式系统平台应用，都有无限广阔的发展空间，关键是把握好自己的“定位”与“分工”，了解学科的“交叉”与“融合”。