嵌入式系統支柱學科的交叉與融合

嵌入式系統的概念源于微型計算機的嵌入式應用。早期的嵌入式系統探索過工控機、單板機、微機單片化的專用計算機的形式，隨后走上了獨立的發展道路。嵌入式系統不是專用計算機系統。嵌入式系統尚未形成獨立的學科體系，它的支柱學科是微電子學科、計算機學科、電子技術學科與對象學科。四個支柱學科形成了平臺模式下的交叉與融合。剔除嵌入式系統的“專用計算機”觀念，有利于嵌入式系統的健康發展。

關鍵詞? 嵌入式系統??學科體系? 平臺模式? 對象學科

1? 嵌入式系統簡史

1.1? 嵌入式系統的誕生

　　嵌入式系統誕生于微型機時代，經過微型計算機的嵌入式專用化的短暫探索后，便進入到嵌入式系統獨立的微控制器發展時代。直接在嵌入式處理器與外圍集成電路技術基礎上發展的帶處理器內核的單片機，即微控制器的智能化電子系統。即便有處理器內核，也是嵌入式處理器而非通用微處理器。下面用圖1來解釋嵌入式系統不是專用計算機。

圖1? 嵌入式系統的誕生、探索與發展

　　現代計算機是在微處理器基礎上誕生的微型計算機。微型機誕生后，以其小體積、低價位、高可靠性，迅速走出機房，引發了大型機電設備的智能化控制要求。要求將微型計算機嵌入到大型機電設備中，承擔起大型機電設備的智能化控制，這樣的微型計算機便成為嵌入到特定機電系統中的專用計算機。為了與通用計算機系統相區別，把這種專用計算機稱為“嵌入式計算機系統”。從嵌入式系統概念誕生于微型機的事實出發，早期可以認為嵌入式系統是專用計算機系統。

1.2? 專用計算機探索的失敗之路

　　嵌入式系統誕生后，為了滿足對象系統最廣泛的嵌入式應用要求，不斷探索嵌入式系統的應用模式，早期都是按照專用計算機的工控機、單板機、微機單片化的思路發展。

　　工控機是將微型計算機進行機械加固、電氣加固后，作為嵌入式系統應用，無法滿足嵌入式系統的微小體積、極低價位、高可靠、對象耦合性好的基本要求。隨后，出現了板級狀態的微型計算機（單板機），減小了計算機體積、降低了價位，迅速掀起了傳統電子系統的智能化改造熱潮。

　　無論是工控機，還是單板機，都無法徹底地滿足嵌入式系統的微小體積、極低價位、高可靠性的要求。人們便直接將微型計算機體系結構進行簡化，集成到一個半導體芯片中，做成單片微型計算機。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型機簡化后集成的單片微型計算機。單片微型計算機徹底解決了嵌入式系統的極小體積、極低價位，但在高可靠性及對象可控性方面沒有本質上的改進。國外將芯片化的微型計算機稱作Single Chip Microcomputer。

　　作為工業控制的嵌入式應用，高可靠性、對象耦合性至關重要，它已跳出傳統計算機的應用要求。例如，嵌入式系統從一開始就把“死機”、“實時性”作為重要的技術問題，把與對象系統電氣連接的總線、接口、系統配置作為重要的技術發展方向。因此，嵌入式系統必須擺脫“專用計算機”的羈絆，走獨立的“微控制器”道路。實踐證明，通用微控制器基礎上的工控機、單板機、單芯片化的專用計算機的發展道路是行不通的。

1.3? 嵌入式系統的獨立發展道路

　　嵌入式系統的微控制器（MCU）發展道路，是一條擺脫“專用計算機”羈絆，獨立發展的道路。這是一條由Intel MCS51單片機、iDCX51實時多任務操作系統開辟的單片機獨立發展的道路。MCS51是一個在微電子學、集成電路基礎上，按照嵌入式應用要求，原創的嵌入式處理器。MCS51原創的體系結構、控制型的指令系統與布爾空間、外部總線方式、特殊功能寄存器（SFR）的管理模式，奠定了嵌入式系統的硬件結構基礎；iDCX51是專門與MCS51單片機配置，滿足嵌入式應用要求原創的實時多任務操作系統。

　　MCS51開創了嵌入式系統獨立發展的單片機時代。這是一個微控制器時代，國外及時、準確地將“Single Chip Microcomputer”改稱為“Microcontroller Unit”。這不是文字游戲。

　　嵌入式系統進入單片機發展時代，最重要的技術發展熱點是，全面滿足嵌入式應用要求的擴展總線、通信總線；軟件的實時性要求；與對象體系相連接的傳感器接口、伺服驅動接口、人機接口與通信接口；滿足低功耗管理要求的時鐘系統、電源管理系統與低功耗方式；可以滿足多種狀態激勵的中斷系統等。

　　在單片機時代，嵌入式系統主要用于傳統電子系統的智能化改造，形成了半導體廠家與對象系統電子工程師的應用時代。更貼切地說，單片機應用系統是一個智能化的現代電子系統。

　　由于嵌入式系統的廣泛應用，以及半導體集成電路提供的多種支持，在嵌入式系統領域又出現了DSP及PLD的解決方案（見圖1）。DSP突出信號處理功能，與嵌入式處理器相結合，成為嵌入式系統的一個重要分支；PLD則提供了門陣列半定制的嵌入式應用系統的解決方案，并形成了SoPC、FPGA/CPLD的兩大分支。無論是哪個技術發展方向，SoC都是嵌入式應用系統的統一歸屬。

　　當前，否定嵌入式系統的專用計算機概念，具有重要的現實意義。它有利于四個支柱學科在嵌入式系統中的正確定位與交叉融合。

2? 嵌入式系統的四個支柱學科

　　目前，嵌入式系統尚未形成獨立的學科體系。從“嵌入式系統”的誕生、獨立的單片機發展道路、微控制器技術發展的內涵、嵌入式系統的多種解決方案來看，“嵌入式系統”是四個支柱學科的交叉與融合，并以平臺模式進行學科定位與分工。

2.1? 四個支柱學科的關系圖解

　　嵌入式系統的四個支柱學科是微電子學科、計算機學科、電子技術學科、對象學科，它們的關系如圖2所示。微電子學科是嵌入式系統發展的基礎，對象學科是嵌入式系統應用的歸宿學科，計算機學科與電子技術學科是嵌入式系統技術發展的重要保證。

圖2? 嵌入式系統四個支柱學科的交叉與融合

2.2? 領銜的微電子學科

　　微電子學科與半導體集成電路的領銜作用，在于它為嵌入式系統的應用提供了集成電路基礎。電子技術學科、計算機學科的許多重要成果，最終都會體現在集成電路中，從早期的數字電路集成，到如今的模數混合、軟/硬件結合、以IP為基礎的知識與知識行為集成。

2.3? 為平臺服務的計算機學科

　　現代計算機出現后，在計算機學科中形成了兩大學科分支，即通用計算機學科與嵌入式計算機學科。通用計算機學科與嵌入式計算機學科有不同的技術發展方向與技術內涵。由于嵌入式計算機學科與對象學科、微電子學科緊密相關，而嵌入式計算機學科與原有計算機學科內容有較大差異，不能用通用計算機的概念來詮釋嵌入式系統，因此、嵌入式計算機要加強與微電子學科、電子學科、對象學科的溝通，共同承擔起嵌入式系統新學科的建設任務。

　　在嵌入式系統中，計算機學科要承擔起嵌入式系統應用平臺的構建任務，它包括嵌入式系統的集成開發環境、計算機工程方法、編程語言、程序設計方法等內容。

2.4? 廣泛服務的電子技術學科

　　在嵌入式系統中，電子技術學科提供了最廣泛的技術服務。電子技術將微電子領域的集成電路設計，迅速從電路集成、功能集成、技術集成發展到知識集成；為計算機學科提供嵌入式系統的硬件設計技術支持；在對象學科中，廣大的應用工程師在嵌入式軟硬件平臺上實現最廣泛的應用。

2.5? 對象學科的最終出路

　　對象學科是嵌入式系統的最終用戶學科。對象學科幾乎囊括了所有的科技領域，形成了嵌入式系統一個無限大的應用領域。至今，嵌入式系統行家不再會回答“嵌入式系統用在什么地方？”這樣的問題。

　　對于對象學科來說，嵌入式系統只是一個智能化的工具，對象學科要在嵌入式系統上構建本領域的一個嵌入式應用系統。嵌入式應用系統的技術基礎是本學科的基礎理論與應用環境、應用要求。同時，在應用中要不斷給微電子、集成電路設計、嵌入式計算機學科提出技術要求，以便不斷提升嵌入式系統平臺的技術水平。

3? 平臺模式下的學科

　　分工平臺模式是知識經濟時代產業、科技的基本發展模式，所有的知識創新與創新知識應用都要走平臺化發展道路。

3.1? 平臺模式的由來

　　平臺模式是知識經濟時代的一種基本的產業、科技模式，是人類知識分離性規律、集成性規律發展到高級階段上的必然現象。它將一體化的產業、科技模式變革為知識平臺媒介下的平臺模式。只要對比上世紀60年代收音機產業與90年代的VCD/DVD產業，就會發現一體化產業模式與平臺產業模式的本質差異。

　　上世紀60年代收音機行業中的所有企業，無一例外地都承擔起從創意、產品研發、樣機設計、樣機生產、批量投產的全過程，遵循著封閉的一體化產業模式。到了90年代的VCD/DVD時代，出現了半導體廠家與鄉鎮企業社會化分工的產業模式：半導體廠家將VCD/DVD創意轉化成VCD/DVD的軟硬件套件，鄉鎮企業購買VCD/DVD的軟硬件套件，并在半導體廠家的技術支持下實現VCD/DVD機的大批量生產。半導體廠家絕不生產VCD/DVD機，鄉鎮企業絕不從事VCD/DVD的技術研究。VCD/DVD的軟硬件套件就是VCD/DVD技術的知識平臺。以知識平臺為中心，實現了知識產業與制造產業的社會化分工。知識產業從事知識創新，將知識創新成果轉化為知識平臺，不從事知識成果的最終應用；制造產業則在知識平臺基礎上完成創新成果的最終應用。

3.2? 嵌入式系統的平臺模式

　　按照知識的分離性發展規律，知識創新者不從事知識應用，知識應用者不需要了解創新知識原理；按照集成性發展規律要求，知識創新者應該將創新知識成果集成到工具之中，轉化為知識平臺，知識應用者應該在知識平臺基礎上實現創新知識應用。

　　在早期的嵌入式系統中，集成電路芯片（單片機和外圍電路）、開發裝置是半導體廠家提供給用戶的應用平臺，對象領域的電子工程師在這樣的平臺上完成嵌入式系統的應用。當前，在四個支柱學科支持下的嵌入式系統，必然形成一個按平臺模式分工發展的產業、科研生態系統。

　　對象學科領域是嵌入式系統的最終用戶，對象學科領域的電子技術應用工程師應該在一個現成的嵌入式系統平臺上實現嵌入式應用系統設計。

　　微電子學科、嵌入式計算機學科、電子技術學科（非對象學科領域中的應用工程師）不是嵌入式系統最終用戶，這些學科的重要任務是將創新科技成果轉化成形形色色的知識平臺，如微電子領域的集成電路提供先進的MCU、外圍芯片、SoC等IC平臺；嵌入式計算機學科提供集成開發環境、編程語言、算法、計算機工程方法平臺；電子工程師與微電子設計、嵌入式計算機學科、OEM廠家配合，完成嵌入式系統的產品平臺，以及產品平臺的技術服務。

　　從平臺觀念出發，一個優秀的嵌入式系統產品，必須在一個優秀的嵌入式系統平臺基礎上開發。

3.3? 平臺模式下的學科定位與分工

　　由于嵌入式系統有四個支柱學科的跨學科特點，每個學科在嵌入式系統中都會體現出它的優勢與弱勢，因此，嵌入式系統中有一個學科定位與交叉融合問題。“學科定位”體現在每個學科利用自己的學科優勢，在自己的學科基礎上，介入嵌入式系統的發展；“交叉融合”是在學科定位的基礎上，不斷了解其他學科對嵌入式系統的技術發展要求，以便為嵌入式系統構筑最佳的知識平臺，實現最佳的嵌入式系統應用。

　　由于各學科的交叉融合，每個學科的團隊建設，應在自身學科基礎上，吸收一定比例的其他學科人員。例如近年來，在集成電路設計領域吸收了不少嵌入式應用系統設計人才；在高等學校計算機學院設立嵌入式系統專業時，引進了許多對象領域中的嵌入式系統的應用型人才。

　　嵌入式系統中四個支柱學科的定位，除了學科知識結構的定位外，還要體現出在知識平臺模式中的定位。這種平臺模式的定位，是一種3+1的定位。即微電子學科、計算機學科、電子技術學科為嵌入式應用構筑各種類型的應用平臺，不介入嵌入式系統的具體應用；對象學科一定要在嵌入式系統應用平臺基礎上，實現嵌入式系統在本學科領域中的產品化應用，不必介入嵌入式系統的平臺構建。例如，就嵌入式操作系統而言，操作系統的構建應該定位在計算機學科領域，但是要構建一個優秀的嵌入式操作系統，必須了解嵌入式的應用特點與應用環境，同時能夠預見未來的MCU芯片中的固件化趨勢；在對象領域中，把操作系統視為工具，只須了解操作系統性能與應用界面；微電子技術專家要了解嵌入式操作系統與應用軟件特點，以便芯片技術到達一定階段后，納入集成電路設計中。

　　嵌入式系統是一個無限大的空間，不論是嵌入式系統平臺構建還是嵌入式系統平臺應用，都有無限廣闊的發展空間，關鍵是把握好自己的“定位”與“分工”，了解學科的“交叉”與“融合”。