一、現代計算機的技術(shù)發(fā)展史
1.始于微型機時(shí)代的嵌入式應用
電子數字計算機誕生于1946年，在其后漫長(cháng)的歷史進(jìn)程中，計算機始終是供養在特殊的機房中，實(shí)現數值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代，微處理器的出現，計算機才出現了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價(jià)廉、高可靠性特點(diǎn)，迅速走出機房；基于高速數值解算能力的微型機，表現出的智能化水平引起了控制專(zhuān)業(yè)人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個(gè)對象體系中，實(shí)現對象體系的智能化控制。例如，將微型計算機經(jīng)電氣加固、機械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構成自動(dòng)駕駛儀或輪機狀態(tài)監測系統。這樣一來(lái)，計算機便失去了原來(lái)的形態(tài)與通用的計算機功能。為了區別于原有的通用計算機系統，把嵌入到對象體系中，實(shí)現對象體系智能化控制的計算機，稱(chēng)作嵌入式計算機系統。因此，嵌入式系統誕生于微型機時(shí)代，嵌入式系統的嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計算機嵌入到一個(gè)對象體系中去，這些是理解嵌入式系統的基本出發(fā)點(diǎn)。
2.現代計算機技術(shù)的兩大分支
由于嵌入式計算機系統要嵌入到對象體系中，實(shí)現的是對象的智能化控制，因此，它有著(zhù)與通用計算機系統完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。通用計算機系統的技術(shù)要求是高速、海量的數值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線(xiàn)速度的無(wú)限提升，存儲容量的無(wú)限擴大。而嵌入式計算機系統的技術(shù)要求則是對象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對象系統密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。
早期，人們勉為其難地將通用計算機系統進(jìn)行改裝，在大型設備中實(shí)現嵌入式應用。然而，對于眾多的對象系統（如家用電器、儀器儀表、工控單元……），無(wú)法嵌入通用計算機系統，況且嵌入式系統與通用計算機系統的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，因此，必須獨立地發(fā)展通用計算機系統與嵌入式計算機系統，這就形成了現代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支。
如果說(shuō)微型機的出現，使計算機進(jìn)入到現代計算機發(fā)展階段，那么嵌入式計算機系統的誕生，則標志了計算機進(jìn)入了通用計算機系統與嵌入式計算機系統兩大分支并行發(fā)展時(shí)代，從而導致20世紀末，計算機的高速發(fā)展時(shí)期。
3.兩大分支發(fā)展的里程碑事件
通用計算機系統與嵌入式計算機系統的專(zhuān)業(yè)化分工發(fā)展，導致20世紀末、21世紀初，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。計算機專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計算機系統的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應用要求，通用微處理器迅速從286、386、486到奔騰系列；操作系統則迅速擴張計算機基于高速海量的數據文件處理能力，使通用計算機系統進(jìn)入到盡善盡美階段。
嵌入式計算機系統則走上了一條完全不同的道路，這條獨立發(fā)展的道路就是單芯片化道路。它動(dòng)員了原有的傳統電子系統領(lǐng)域的廠(chǎng)家與專(zhuān)業(yè)人士，接過(guò)起源于計算機領(lǐng)域的嵌入式系統，承擔起發(fā)展與普及嵌入式系統的歷史任務(wù)，迅速地將傳統的電子系統發(fā)展到智能化的現代電子系統時(shí)代。
因此，現代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支的里程碑意義在于：它不僅形成了計算機發(fā)展的專(zhuān)業(yè)化分工，而且將發(fā)展計算機技術(shù)的任務(wù)擴展到傳統的電子系統領(lǐng)域，使計算機成為進(jìn)入人類(lèi)社會(huì )全面智能化時(shí)代的有力工具。
二、嵌入式系統的定義與特點(diǎn)
如果我們了解了嵌入式（計算機）系統的由來(lái)與發(fā)展，對嵌入式系統就不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的誤解，而能歷史地、本質(zhì)地、普遍適用地定義嵌入式系統。
1.嵌入式系統的定義
按照歷史性、本質(zhì)性、普遍性要求，嵌入式系統應定義為：“嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機系統”�！扒度胄浴�、“專(zhuān)用性”與“計算機系統”是嵌入式系統的三個(gè)基本要素。對象系統則是指嵌入式系統所嵌入的宿主系統。
2.嵌入式系統的特點(diǎn)
嵌入式系統的特點(diǎn)與定義不同，它是由定義中的三個(gè)基本要素衍生出來(lái)的。不同的嵌入式系統其特點(diǎn)會(huì )有所差異。與“嵌入性”的相關(guān)特點(diǎn)：由于是嵌入到對象系統中，必須滿(mǎn)足對象系統的環(huán)境要求，如物理環(huán)境（小型）、電氣/氣氛環(huán)境（可靠）、成本（價(jià)廉）等要求。與“專(zhuān)用性”的相關(guān)特點(diǎn)：軟、硬件的裁剪性；滿(mǎn)足對象要求的最小軟、硬件配置等。與“計算機系統”的相關(guān)特點(diǎn)：嵌入式系統必須是能滿(mǎn)足對象系統控制要求的計算機系統。與上兩個(gè)特點(diǎn)相呼應，這樣的計算機必須配置有與對象系統相適應的接口電路。
另外，在理解嵌入式系統定義時(shí)，不要與嵌入式設備相混淆。嵌入式設備是指內部有嵌入式系統的產(chǎn)品、設備，例如，內含單片機的家用電器、儀器儀表、工控單元、機器人、手機、PDA等。
3.嵌入式系統的種類(lèi)與發(fā)展
按照上述嵌入式系統的定義，只要滿(mǎn)足定義中三要素的計算機系統，都可稱(chēng)為嵌入式系統。嵌入式系統按形態(tài)可分為設備級（工控機）、板級（單板、模塊）、芯片級（MCU、SoC）。
有些人把嵌入式處理器當作嵌入式系統，但由于嵌入式系統是一個(gè)嵌入式計算機系統，因此，只有將嵌入式處理器構成一個(gè)計算機系統，并作為嵌入式應用時(shí)，這樣的計算機系統才可稱(chēng)作嵌入式系統。
嵌入式系統與對象系統密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿(mǎn)足嵌入式應用要求，不斷擴展對象系統要求的外圍電路（如ADC、DAC、PWM、日歷時(shí)鐘、電源監測、程序運行監測電路等），形成滿(mǎn)足對象系統要求的應用系統。因此，嵌入式系統作為一個(gè)專(zhuān)用計算機系統，要不斷向計算機應用系統發(fā)展。因此，可以把定義中的專(zhuān)用計算機系統引伸成，滿(mǎn)足對象系統要求的計算機應用系統。
三、嵌入式系統的獨立發(fā)展道路
1.單片機開(kāi)創(chuàng )了嵌入式系統獨立發(fā)展道路
嵌入式系統雖然起源于微型計算機時(shí)代，然而，微型計算機的體積、價(jià)位、可靠性都無(wú)法滿(mǎn)足廣大對象系統的嵌入式應用要求，因此，嵌入式系統必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算機做在一個(gè)芯片上，從而開(kāi)創(chuàng )了嵌入式系統獨立發(fā)展的單片機時(shí)代。
在探索單片機的發(fā)展道路時(shí)，有過(guò)兩種模式，即“∑模式”與“創(chuàng )新模式”�！啊颇Ｊ健北举|(zhì)上是通用計算機直接芯片化的模式，它將通用計算機系統中的基本單元進(jìn)行裁剪后，集成在一個(gè)芯片上，構成單片微型計算機；“創(chuàng )新模式”則完全按嵌入式應用要求設計全新的，滿(mǎn)足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統、總線(xiàn)方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創(chuàng )新模式發(fā)展起來(lái)的單片形態(tài)的嵌入式系統（單片微型計算機）。MCS-51是在MCS-48探索基礎上，進(jìn)行全面完善的嵌入式系統。歷史證明，“創(chuàng )新模式”是嵌入式系統獨立發(fā)展的正確道路，MCS-51的體系結構也因此成為單片嵌入式系統的典型結構體系。
2.單片機的技術(shù)發(fā)展史
單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。
1.SCM即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統的最佳體系結構�！皠�(chuàng )新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開(kāi)創(chuàng )嵌入式系統獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒(méi)。
2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展滿(mǎn)足嵌入式應用時(shí)，對象系統要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠(chǎng)家。從這一角度來(lái)看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀(guān)因素。在發(fā)展MCU方面，最著(zhù)名的廠(chǎng)家當數Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統發(fā)展道路時(shí)，不要忘記Intel和Philips的歷史功績(jì)。
3.單片機是嵌入式系統的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決；因此，專(zhuān)用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著(zhù)微電子技術(shù)、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應用系統設計會(huì )有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。
四、嵌入式系統的兩種應用模式
嵌入式系統的嵌入式應用特點(diǎn)，決定了它的多學(xué)科交叉特點(diǎn)。作為計算機的內含，要求計算機領(lǐng)域人員介入其體系結構、軟件技術(shù)、工程應用方面的研究。然而，了解對象系統的控制要求，實(shí)現系統控制模式必須具備對象領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識。因此，從嵌入式系統發(fā)展的歷史過(guò)程，以及嵌入式應用的多樣性中，可以了解到客觀(guān)上形成的兩種應用模式。
1.客觀(guān)存在的兩種應用模式
嵌入式計算機系統起源于微型機時(shí)代，但很快就進(jìn)入到獨立發(fā)展的單片機時(shí)代。在單片機時(shí)代，嵌入式系統以器件形態(tài)迅速進(jìn)入到傳統電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應用工程師為主體，實(shí)現傳統電子系統的智能化，而計算機專(zhuān)業(yè)隊伍并沒(méi)有真正進(jìn)入單片機應用領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)應用工程師以自己習慣性的電子技術(shù)應用模式，從事單片機的應用開(kāi)發(fā)。這種應用模式最重要的特點(diǎn)是：軟、硬件的底層性和隨意性；對象系統專(zhuān)業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性；缺少計算機工程設計方法。
雖然在單片機時(shí)代，計算機專(zhuān)業(yè)淡出了嵌入式系統領(lǐng)域，但隨著(zhù)后PC時(shí)代的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò )、通信技術(shù)得以發(fā)展；同時(shí)，嵌入式系統軟、硬件技術(shù)有了很大的提升，為計算機專(zhuān)業(yè)人士介入嵌入式系統應用開(kāi)辟了廣闊天地。計算機專(zhuān)業(yè)人士的介入，形成的計算機應用模式帶有明顯的計算機的工程應用特點(diǎn)，即基于嵌入式系統軟、硬件平臺，以網(wǎng)絡(luò )、通信為主的非嵌入式底層應用。
2.兩種應用模式的并存與互補
由于嵌入式系統最大、最廣、最底層的應用是傳統電子技術(shù)領(lǐng)域的智能化改造，因此，以通曉對象專(zhuān)業(yè)的電子技術(shù)隊伍為主，用最少的嵌入式系統軟、硬件開(kāi)銷(xiāo)，以8位機為主，帶有濃重的電子系統設計色彩的電子系統應用模式會(huì )長(cháng)期存在下去。
另外，計算機專(zhuān)業(yè)人士會(huì )愈來(lái)愈多地介入嵌入式系統應用，但囿于對象專(zhuān)業(yè)知識的隔閡，其應用領(lǐng)域會(huì )集中在網(wǎng)絡(luò )、通信、多媒體、商務(wù)電子等方面，不可能替代原來(lái)電子工程師在控制、儀器儀表、機械電子等方面的嵌入式應用。因此，客觀(guān)存在的兩種應用模式會(huì )長(cháng)期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補充。電子系統設計模式應從計算機應用設計模式中，學(xué)習計算機工程方法和嵌入式系統軟件技術(shù)；計算機應用設計模式應從電子系統設計模式中，了解嵌入式系統應用的電路系統特性、基本的外圍電路設計方法和對象系統的基本要求等。
3.嵌入式系統應用的高低端
由于嵌入式系統有過(guò)很長(cháng)的一段單片機的獨立發(fā)展道路，大多是基于8位單片機，實(shí)現最底層的嵌入式系統應用，帶有明顯的電子系統設計模式特點(diǎn)。大多數從事單片機應用開(kāi)發(fā)人員，都是對象系統領(lǐng)域中的電子系統工程師，加之單片機的出現，立即脫離了計算機專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，以“智能化”器件身份進(jìn)入電子系統領(lǐng)域，沒(méi)有帶入“嵌入式系統”概念。因此，不少從事單片機應用的人，不了解單片機與嵌入式系統的關(guān)系，在談到“嵌入式系統”領(lǐng)域時(shí)，往往理解成計算機專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的，基于32位嵌入式處理器，從事網(wǎng)絡(luò )、通信、多媒體等的應用。這樣，“單片機”與“嵌入式系統”形成了嵌入式系統中常見(jiàn)的兩個(gè)獨立的名詞。但由于“單片機”是典型的、獨立發(fā)展起來(lái)的嵌入式系統，從學(xué)科建設的角度出發(fā)，應該把它統一成“嵌入式系統”�？紤]到原來(lái)單片機的電子系統底層應用特點(diǎn)，可以把嵌入式系統應用分成高端與低端，把原來(lái)的單片機應用理解成嵌入式系統的低端應用，含義為它的底層性以及與對象系統的緊耦合。
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