隨著現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已深入到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品已應(yīng)用到人們的日常生活的各個(gè)角落，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已成為目前人們研究的熱門之一。但是，什么是嵌入式系統(tǒng)？大家卻眾說不一，至今沒有統(tǒng)一的定論，為此我們有必要加以探討，使嵌入式系統(tǒng)沿著健康的道路發(fā)展。

1  什么是嵌入式系統(tǒng)

對(duì)于不懂這方面知識(shí)的人來說，嵌入式系統(tǒng)這個(gè)詞可能顯得比較深?yuàn)W，其實(shí)嵌入式系統(tǒng)和普通人的生活聯(lián)系非常緊密。手機(jī)、U盤你一定很熟悉吧，它就是典型的嵌入式系統(tǒng)；MP3、MP4、微波爐、有線電視機(jī)頂盒，你一定不陌生，它也是嵌入式系統(tǒng)；汽車、ATM自動(dòng)取款機(jī)、電梯等等都屬于嵌入式系統(tǒng)。以上僅從應(yīng)用方面感性的認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)，但它并不是嵌入式系統(tǒng)的真正含義。

那么嵌入式系統(tǒng)真正的含義是什么？現(xiàn)在國內(nèi)流行的說法是：“嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。”[13]對(duì)于這個(gè)定義，我有兩點(diǎn)疑義：其一，說嵌入式系統(tǒng)“以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)”，我認(rèn)為不全面，它忽略了微電子等技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)的重要作用;其二，把嵌入式系統(tǒng)定義為“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，我認(rèn)為不正確，它混淆了嵌入式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別。何立民老師說得好：“嵌入式系統(tǒng)不是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”［4］，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)智能化的控制系統(tǒng)。

為什么嵌入式系統(tǒng)不是“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，不只是“以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)”？如何定義嵌入式系統(tǒng)?我們從以下幾方面分析探討。

2  嵌入式系統(tǒng)不是“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”

“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”這個(gè)名詞應(yīng)該和“通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”這個(gè)名詞相對(duì)應(yīng)。從字義上看，不管是“專用”或者是“通用”，它們都沒有脫離計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這個(gè)范疇，應(yīng)該說它們都?xì)w屬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。既然是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，那它們的發(fā)展起源應(yīng)該是計(jì)算機(jī)。它們的體系結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)，知識(shí)體系、技術(shù)要求應(yīng)該有相同之處。但是，事實(shí)上嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雖有聯(lián)系，可在以上提及的幾點(diǎn)上并沒有多少相同之處，又何談它是“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。

2.1  發(fā)展并行獨(dú)立

嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展至今約30年了。它與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)展系統(tǒng)，從它們的起源看，二者都源于半導(dǎo)體集成電路，誕生于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代，二者發(fā)展并行獨(dú)立。［5］如圖1所示。


圖1

嵌入式系統(tǒng)起源于半導(dǎo)體集成電路，該半導(dǎo)體集成電路分為晶體管和集成電路。20世紀(jì)70年代，集成電路產(chǎn)生了微處理器，微處理器是智能內(nèi)核，它有兩個(gè)功能，其一是運(yùn)算處理功能，即高速海量的解算能力，它促使了計(jì)算機(jī)獨(dú)立的飛速發(fā)展至今；其二是控制功能，嵌入式系統(tǒng)屬控制功能，控制功能產(chǎn)生了微控制器，俗稱單片機(jī)，它促使了嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展至今。

20世紀(jì)70年代，微處理器的控制功能引起了控制專業(yè)人士研究興趣，他們將微機(jī)嵌入到對(duì)象體系內(nèi)，經(jīng)過電氣、機(jī)械加固，并配置各種外圍接口，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)對(duì)象體系的智能化控制。這樣此微機(jī)便失去了原來的形態(tài)和微型計(jì)算機(jī)功能，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(簡稱嵌入式系統(tǒng))由此而得名。由于嵌入式系統(tǒng)要求嵌入到對(duì)象器件內(nèi)，體積要特小，功能要可靠，成本還要低，而計(jì)算機(jī)無法承擔(dān)起對(duì)對(duì)象系統(tǒng)的智能化控制任務(wù)，所以嵌入式系統(tǒng)則走上了自己獨(dú)立發(fā)展的單芯片化的道路。

微控制器也就是傳統(tǒng)意義上的單片機(jī)。它的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于開發(fā)以及價(jià)格經(jīng)濟(jì)。它可以說是目前嵌入式系統(tǒng)的前身。單片機(jī)就是把對(duì)象所需要的主要功能集成到了一個(gè)芯片上，通常一個(gè)單片機(jī)芯片包含了運(yùn)算處理單元、ARM、Flash存儲(chǔ)器以及一些外部接口等。通過外部接口可以輸出或者輸入信號(hào)，控制相應(yīng)的設(shè)備，用戶可以把編寫好的代碼燒寫到單片機(jī)芯片內(nèi)部來控制外部設(shè)備。單片機(jī)常被用在智能儀器、工業(yè)測(cè)量、辦公自動(dòng)化方面。如數(shù)字電表、公交IC刷卡系統(tǒng)、打印機(jī)等，內(nèi)部都有單片機(jī)存在。

我們由嵌入式系統(tǒng)發(fā)展起源的歷史看，嵌入式系統(tǒng)起源于半導(dǎo)體集成電路，它不是起源于計(jì)算機(jī)，所以它不是“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，它是專用的智能化的控制系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)定義為“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，不符合歷史，混淆了二者的本質(zhì)區(qū)別，因此不可取。
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2.2  技術(shù)發(fā)展方向不同

嵌入式系統(tǒng)顧名思義，是要嵌入到對(duì)象體系中，與對(duì)象系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)對(duì)象系統(tǒng)的智能化控制。它有著與計(jì)算機(jī)完全不同的技術(shù)要求、技術(shù)發(fā)展方向。

嵌入式系統(tǒng)從形式上，要求該系統(tǒng)智能化、超小型；從功能上，要求功能可靠、功耗低、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；從應(yīng)用的范圍上，要面向市場(chǎng)、面向用戶、面向?qū)ο蟆⒚嫦虍a(chǎn)品；從技術(shù)上，要求提高對(duì)對(duì)象的智能化控制能力、與對(duì)象密切相關(guān)的嵌入性能和控制的可靠性。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從形式上，是要看得見、摸得著，不需要嵌入到別的器件內(nèi)；從功能上，要求多處理功能；從技術(shù)上，要求的是高速海量的數(shù)值計(jì)算、總線速度的無限提升、存儲(chǔ)容量的不斷擴(kuò)大。

所以我們說：嵌入式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，技術(shù)要求、技術(shù)發(fā)展方向根本不同，不應(yīng)定義為“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。如果定義為“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，就等于嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，要沿著計(jì)算機(jī)技術(shù)要求的發(fā)展道路走，這就等于束縛了嵌入式系統(tǒng)健康開放式的獨(dú)立發(fā)展之路。

2.3  體系結(jié)構(gòu)不同

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序4個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能。

嵌入式系統(tǒng)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)有3個(gè)層次的軟硬件，有4個(gè)通道接口，它的通道接口是為了嵌入到對(duì)象體系去，和對(duì)象體系產(chǎn)生4個(gè)界面。它的核心是嵌入式微處理器，這個(gè)處理器不是通用的計(jì)算機(jī)處理器。也就是說，二者采用的處理器是截然不同的。嵌入式外圍功能擴(kuò)展之后，形成了微控制器，其對(duì)象接口技術(shù)擴(kuò)展，產(chǎn)生4個(gè)接口，形成了SoC整個(gè)片上結(jié)構(gòu)，4個(gè)中斷。其軟件分為：指令系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軟件、操作系統(tǒng)3部分。

我們從嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)看出：

① 二者的處理器不同。計(jì)算機(jī)是通用的處理器，嵌入式系統(tǒng)是面向特定應(yīng)用的微處理器，它具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，有利于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化。

② 計(jì)算機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)總線和外設(shè)，嵌入式總線和外部接口都集成在處理器內(nèi)；計(jì)算機(jī)軟硬件相對(duì)獨(dú)立，嵌入式系統(tǒng)則是將軟硬件緊密集成在一起，結(jié)構(gòu)更緊湊；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)偏重多功能處理設(shè)置，嵌入式系統(tǒng)重在對(duì)對(duì)象的控制能力設(shè)置。

所以說，嵌入式體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)是不同的。嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是控制性的體系結(jié)構(gòu)，不是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理型體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同，則性質(zhì)全非，所以，嵌入式系統(tǒng)不能定義為“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。

2.4  功能特點(diǎn)各異

① 嵌入式系統(tǒng)具有嵌入性、控制性，軟硬件可根據(jù)對(duì)象需要來設(shè)置。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則不是這樣。

② 嵌入式系統(tǒng)功能專一，即軟硬件專門為某一特定應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則是多功能處理。

③ 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊：嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般不像計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)于磁盤等載體中，而都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片系統(tǒng)的存儲(chǔ)器之中，這樣使其結(jié)構(gòu)特別緊湊，從而達(dá)到小體積、高效能、低成本、低功耗。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)要求可大可小，大到臺(tái)式，小到筆記本、手提電腦等；計(jì)算機(jī)的CPU要求嚴(yán)格，相比嵌入式系統(tǒng)的微處理器，一般價(jià)格昂貴，達(dá)不到嵌入式系統(tǒng)那樣低成本、低功耗。嵌入式系統(tǒng)通常使用閃存（Flash Memory）等作為存儲(chǔ)介質(zhì)，以提高速度、減小體積、降低功耗。而計(jì)算機(jī)通常使用磁盤這類具有大容量但速度較慢的存儲(chǔ)介質(zhì)。

④ 嵌入式系統(tǒng)智能靈活及實(shí)時(shí)性：就是要對(duì)不同的情況作出不同的反應(yīng)，同時(shí)必須實(shí)時(shí)地給出計(jì)算的結(jié)果并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，計(jì)算機(jī)在智能靈活性方面則比不上。

⑤ 嵌入式系統(tǒng)可靠性高，因?yàn)檐浖枪袒摹＠?，它無病毒侵害。計(jì)算機(jī)則不然，常常受病毒的攻擊。所以嵌入式系統(tǒng)常常應(yīng)用在人身設(shè)備安全、國家機(jī)密等重大事務(wù)上。

⑥ 計(jì)算機(jī)行業(yè)一般受技術(shù)壟斷，例如計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)方面微軟占居壟斷地位。但嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，不會(huì)出現(xiàn)這種情況。因?yàn)樗且粋€(gè)分散的，充滿競爭、機(jī)遇與創(chuàng)新的領(lǐng)域，沒有誰的操作系統(tǒng)和處理器能夠壟斷市場(chǎng)。

總而言之，嵌入式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能特點(diǎn)各異，二者不能混為一談。
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3  嵌入式系統(tǒng)不只以“計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)”

嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系具有廣泛性。它與微電子學(xué)科技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)科技術(shù)、電子學(xué)科技術(shù)與對(duì)象學(xué)科技術(shù)都密切相關(guān)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中，承擔(dān)著應(yīng)用平臺(tái)的構(gòu)建任務(wù)，它包括嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境、計(jì)算機(jī)工作方法、編程語言、程序設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，它是構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的重要基礎(chǔ)之一，但并不是唯一。嵌入式系統(tǒng)還需要其他的技術(shù)支持。

微電子技術(shù)為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了集成電路基礎(chǔ)。電子技術(shù)提供電路設(shè)計(jì)技術(shù)。它將微電子領(lǐng)域的集成電路設(shè)計(jì)，迅速從電路集成、功能集成、技術(shù)集成發(fā)展到知識(shí)集成，為計(jì)算機(jī)技術(shù)提供嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)支持；對(duì)象學(xué)科技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶的技術(shù)學(xué)科。對(duì)象學(xué)科幾乎囊括了所有的科技領(lǐng)域，形成了嵌入式系統(tǒng)一個(gè)無限大的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)象學(xué)科要在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上構(gòu)建本領(lǐng)域的一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是對(duì)象學(xué)科的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用要求。同時(shí)，在應(yīng)用中要不斷給微電子、集成電路設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)提出技術(shù)要求，以便不斷提升嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的技術(shù)水平。在對(duì)象學(xué)科中，廣大的應(yīng)用工程師在嵌入式軟硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)最廣泛的應(yīng)用。圖2將嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立的知識(shí)技術(shù)體系歸類。[6]

圖2

從圖2中可以看到，嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物,是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識(shí)系統(tǒng)。它以微電子學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科為構(gòu)建平臺(tái)基礎(chǔ)，以對(duì)象學(xué)科技術(shù)為平臺(tái)應(yīng)用，并且各學(xué)科技術(shù)又相互聯(lián)系、相互支持。嵌入式系統(tǒng)包容各家技術(shù)之長，吸取各專業(yè)之精華，形成自己獨(dú)特的知識(shí)技術(shù)體系。

從以上分析可以看出，把嵌入式系統(tǒng)定義為“以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)”，縮小了嵌入式系統(tǒng)的外延范圍，否定了各學(xué)科技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用作用，不全面，帶有一定的局限性，不利于嵌入式系統(tǒng)獨(dú)特的學(xué)科體系建立。

4  總結(jié)

我們從嵌入式的發(fā)展起源、結(jié)構(gòu)體系、功能特點(diǎn)、知識(shí)技術(shù)體系等方面，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義進(jìn)行了探討分析，否定了嵌入式系統(tǒng)是“專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，及嵌入式系統(tǒng)是“以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)”的說法，發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)定義確實(shí)需要完善。我支持何立民教授的意見，將嵌入式系統(tǒng)定義完善為“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式微處理器為內(nèi)核，以微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、對(duì)象技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可根據(jù)對(duì)象需要所設(shè)置，并且嵌入到對(duì)象器件內(nèi)，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用智能化的控制系統(tǒng)。”［5］這樣使嵌入式系統(tǒng)不再受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的束縛，嵌入式系統(tǒng)能建立自己獨(dú)立的學(xué)科體系，高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)走向獨(dú)立正規(guī)化，嵌入式系統(tǒng)能獨(dú)立健康地發(fā)展。