基于嵌入式系统及其平台下学科分工的系统研究

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，本文主要介绍嵌入式系统的发展历程、支柱学科，以及嵌入式平台下的学科分工。

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。

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 Mi-crocomputer。

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 MCS一51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。MCS一51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。MCS一51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MCS一51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。

MCS一51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“SingleChip Microcomputer”改称为“Microcontr011er 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。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。

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。