嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程

　　1.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支

　　電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生于1946年，在其后漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)始終是存放在特殊的機(jī)房中實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的大型昂貴設(shè)備。

　　直到20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)才出現(xiàn)了歷史性的變化。將微型機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象體系的智能化控制。為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，稱作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去，這是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。

　　由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)象的智能化控制，因此，它有著與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。

　　早期，人們勉為其難地將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，在大型設(shè)備中實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，對(duì)于眾多的對(duì)象系統(tǒng)（如家用電器、儀器儀表、工控單元等），無(wú)法嵌入通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，必須獨(dú)立地發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生，則標(biāo)志了計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展時(shí)代。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)化分工發(fā)展，導(dǎo)致20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。這兩大分支的技術(shù)要求和技術(shù)發(fā)展方向如圖1-1所示。

　　通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用要求。通用微處理器迅速?gòu)?0286、80386、80486、奔騰到酷睿系列；操作系統(tǒng)也朝著提高資源

　　利用率、增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的方向迅速發(fā)展，使通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入到盡善盡美階段。

　　嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

　　發(fā)展目標(biāo)是單芯片化。它動(dòng)員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家與專業(yè)人土，接過起源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，承擔(dān)起發(fā)展與普及嵌入式系統(tǒng)的歷史任務(wù)，迅速地將傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代。

　　因此，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支的意義在于；一是形成了計(jì)算機(jī)發(fā)展的專業(yè)化分工；二是將發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的任務(wù)擴(kuò)展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域；三是使計(jì)算機(jī)成為進(jìn)入人類社會(huì)全面智能化時(shí)代的有力工具。

　　2.始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用

　　嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月， Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器 Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括 Intel 8080/8085、8086， Motorola的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)，計(jì)算機(jī)廠家開始大量的以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各式I/O插件板，從而構(gòu)成專用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。

　　從靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機(jī)。流行的單板機(jī)有Intel公司的iSBC系列、 Zilog公司的MCB等。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設(shè)計(jì)一臺(tái)專用的嵌入式計(jì)算機(jī)，只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購(gòu)適合的OEM產(chǎn)品，插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就形成新的系統(tǒng)，這樣就希望插件是互相兼容的，也就導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出 Multibus，1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。

　　20世紀(jì)80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器，即單片機(jī)，成為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平，并迅速地滲入到消費(fèi)電子、醫(yī)用電子、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運(yùn)輸?shù)雀鞣N領(lǐng)域。

　　20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信、信息家電等巨大需求的牽引下嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗方向發(fā)展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面，掌上電腦、便攜式計(jì)算機(jī)、機(jī)頂盒技術(shù)相對(duì)成熟，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國(guó)市場(chǎng)上掌上電腦不過四五個(gè)品牌，而1998年年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來。此外，諾基亞（NoKia）推出了智能電話，西門子 （ Siemens）推出了機(jī)頂盒，美國(guó)慧智（Wyse）推出了智能終端，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）推出了WebPad，裝載在汽車上的小型計(jì)算機(jī)，不但可以控制汽車內(nèi)的各種設(shè)備（如音響等），還可以與GPS連接，從而自動(dòng)操控汽車，21世紀(jì)無(wú)疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，使嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中去也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，在發(fā)展?jié)摿薮蟮摹靶畔⒓译姟敝?，嵌入式系統(tǒng)與人工智能、模式識(shí)別等技術(shù)的結(jié)合，將開發(fā)出各種更具人性化、智能化的實(shí)際系統(tǒng)。伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，以嵌入式移動(dòng)設(shè)備為中心的“無(wú)所不在的計(jì)算”將成為現(xiàn)實(shí)。

　　縱觀嵌入式系統(tǒng)在過去發(fā)展的40多年中，主要經(jīng)歷了以下4個(gè)階段。

　　第1階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代，然而微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位、可靠性都無(wú)法滿足特定的嵌入式應(yīng)用要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨(dú)立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路，將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。單片機(jī)就是一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)，這類系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，軟件通過匯編語(yǔ)言編寫。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低，以前在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是現(xiàn)在已經(jīng)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)控制和新興信息家電等領(lǐng)域的需求。

　　第2階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)化，用戶界面不夠友好

　　第3階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理，支持多任務(wù)，支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具備圖形窗口和用戶界面：具有大量的應(yīng)用程序接口和API，開發(fā)應(yīng)用程序較簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。

　　第4階段是以 Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于 Internet之外，但隨著 Internet的發(fā)展以及 Intemet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與 Internet的結(jié)合將代表嵌入式系統(tǒng)的未來。