蓬勃發展的嵌入式計算機結構 (轉)

蓬勃發展的嵌入式計算機結構 (轉)[@more@]

蓬勃發展的嵌入式結構

金惠華
  金惠華 教授,博士生導師,北京航空航天大學容錯計算機、分散式計算機研究方向的學術帶頭人。他主持研製的"四餘度飛控容錯計算機原理試驗樣機"及時提供給飛機總體所進行飛控原理性綜合試驗。主持研製的"非航空電子模擬綜合裝置(NASI)已用於NAMP驗證和綜合,並榮獲航空科技進步二等獎,型號研製三等功。他在實時嵌入式應用硬方面的研究工作已用於航空、航天和工業控制的許多專案中。

  說起嵌入式大家可能有點陌生,但提到微控制器可能就無人不知了,實際上微控制器是嵌入式應用的一種形式。嵌入式應用還包括單板機、多板機、工控機等,凡是將計算機的主機嵌埋在應用系統或裝置之中,不為所知的計算機應用方式都是嵌入式應用。在這裡計算機沒有一般主機式應用的鍵盤、滑鼠、顯示器,但它們卻是系統的核心、裝置的智慧部件。近30年來,在這個應用領域內技術蓬勃發展,市場迅猛擴大,應用深入到生產生活的每個角落。回顧嵌入式體系結構的發展可以說是風起雲湧、波瀾壯闊。
起於青萍之末
`  應當說把計算裝置嵌埋在系統和裝置之中,在電子數字計算機出現之前就有了。最早是將齒輪、凸輪、園盤等連線起來解微分方程的機械式模擬計算裝置,到50年代是用電壓電流表示資料,用加法器、乘法器、微分器、積分器等對模擬量進行操作,這些部件在50年代是用電子管實現,60年代用電晶體實現。第一代電子管計算機(1946～1957年)是像ENIAC那樣佔地170m2、重達30噸、耗電140千瓦的"龐然大物",無法滿足嵌入式計算機所要求的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實時性強等一系列要求。60年代以電晶體、磁芯為基礎的計算機開始用於航空等軍用領域。第一臺機載專用數字計算機是奧托內蒂克斯公司為美國海軍艦載轟炸機"民團團員"號研製的多功能數字分析器(Verdan),它由幾個體積相當大的黑盒子組成,中央處理裝置處理所有主要電子系統來的訊號,開始有了資料匯流排的雛形。同時嵌入式計算機開始應用於工業控制。1962年一個美國乙烯廠實現了工業裝置中的第一個直接數字控制(DDC)。
  嵌入式計算機的興起是在1965～1970年積體電路化的第三代計算機期間,在軍事和空間領域的需求推動下,計算機的硬、軟體技術達到了可以把人送上月球再返回地面的可靠性要求。第一次使用機載數字計算機控制的是1965年發射的Gemini3號,第一次透過容錯來提高可靠性是1968年的阿波羅4號、土星5號。阿波羅計算機是嵌入式的,它又可以人機互動,靠機器和人的緊密結合來引導飛行。在這一時期計算機系統結構技術取得了許多重大發展,出現了並行、先行控制、流水線、等新技術,和影響廣泛的IBM360系列機。而1963年DEC公司推出的第一臺商用小型機由PDP8發展成PDP11系列。它的單匯流排結構、高速通用暫存器、強有力的中斷系統、交叉存取技術,很好地適應了工業控制系統實時嵌入式應用的需求,成為工業生產集中控制的主力軍。但在軍用領域中,為了可靠和滿足體積、重量的嚴格要求,還需為各個武器系統設計五花八門的專用的嵌入式計算機。
走向繁榮
  嵌入式計算機的大發展是在微處理問世之後。1971年11月,公司成功地把算術運算器和控制器電路整合在一起,推出了世界上第一片微Intel 4004。它本來是專為袖珍計算器而設計的,由於體積小、重量輕、價格低廉和成功的設計促使Intel把它進一步通用化,推出了4位的4040、8位的8008。1973年至1977年間各廠家推出了許多8位的微處理器,包括Intel 8080/8085,Motorola 的6800/6802,Zilog的Z80和Rockwell的6502。微處理器不單用來組成微型計算機,而且用來製造儀器儀表、醫療裝置、機器人、家用電器等。僅與8085程式碼相容的8085/Z80微處理器的銷售就超過7億片,其中大部分是用於嵌入式工業控制應用。這時,人們再也不必為設計一臺專用機而研製專用的電路、專用的運算器了,只需以微處理器為基礎進行設計。為了適應高檔嵌入式控制的要求,AMP推出了2900系列位片機,用多個位片組成任意字長的處理器。
  微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場,計算機廠家除了要繼續以整機方式向使用者提供工業控制計算機系統外,開始大量地以方式向使用者提供OEM產品,再由使用者根據自己的需要構成專用的工業控制微型計算機,嵌入到自己的系統裝置中。
  為了靈活相容,形成了標準化、模組化的單板機系列。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。這時人們開始不必從選擇開始來設計一臺專用的嵌入式計算機了,只要選擇一套適合自己應用的板、儲存器板和各式I/O外掛板,就可以組建一臺專用計算機。使用者和廠家都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產品,插入外購或自制的機箱中就形成新的系統,即希望外掛是互相相容的,這就導致了工業控制微機系統匯流排的誕生。1976年Intel推出Multibus,1983年擴充套件為頻寬達40MB/S的MultibusⅡ;1978年Prolog設計簡單的STD匯流排廣泛用於小型嵌入式系統;1981年Motorola推出的VME_Bus則與MultibusⅡ瓜分高階市場。
  80年代可以說是各種匯流排層出不窮、群雄並起的時代。
  隨著微電子工藝水平的提高,積體電路製造商開始把嵌入式應用所需要的微處理器I/O介面、A/D、D/A轉換介面以及RAM、ROM通通整合到一個VLSI中,製造出面向I/O設計的微控制器,就是我們俗稱的微控制器。最早的微控制器Intel 8048出現在1976年,80年代初Intel在它的基礎上發展成為著名的8051,Motorola推出68HC05,Zilog公司則轉向專門生產他的Z80微控制器。這些含有8位微處理器、256B RAM、4Kb ROM、4個8位並口、1個全雙工串列埠、兩個16位定時器的微控制器,迅速地滲入到消費電子、醫用電子、智慧控制、通訊電子、儀器儀表、交通運輸等各種領域。根據各種不同的應用要求不斷改進工藝,提高執行速度,降低功耗。把不同的外設介面到晶片內,衍生成幾十個品種,各種各樣的型號,可以說是"總有一款適合你"。如果8位處理器處理速度太慢,還有16位的微控制器。還有一批專門用於高速實時訊號處理的數字訊號處理器DSP,像Texas公司推出的TMS32010系列通用DSP和廣泛用於Modem、影印機、電話機等智慧化產品,針對具體應用任務具有特定功能演算法的DSP。
日臻完善
  80年代後,嵌入式計算機的大發展還要歸功於開發技術的進步。最初的嵌入式計算機都是非常專用的,軟體也是專門配套用甚至機器語言研製的。在微處理器出現的初期,為了保障嵌入式軟體的時間、空間,軟體也只能用匯編語言編寫。這樣嵌入式系統的開發只能由非常專業的計算機人才,用原始的工具來完成,其效率低、週期長。由於微電子技術的進步,對軟體的時空效率的要求不再那麼苛刻了,嵌入式計算機的工作軟體開始使用PL/M、C等高階語言。在軍工領域為改變各種武器系統使用五花八門的專用語言和軟體使系統費用不斷增加的狀況,美國推行三軍通用的Ada語言,開發可重用的通用軟體,提高軟體生產效率。
  嵌入式系統都是實時系統,而且多是強實時多工系統。70年代的小型計算機為了適應實時應用領域的需求,由計算機生產廠家為自己的機器配置實時作業系統(RTOS)。實時作業系統作為作業系統的一個重要分支已成為研究的一個熱點,探討實時多工排程演算法和可排程性、死鎖解除等問題。這些實時作業系統或者是在核心的基礎上進行實時性修改,或者是獨立設計的純實時系統,但都是為廠家自己的系列機研製的。
  80年代初開始出現了一批軟體公司,推出商品化的嵌入式實時作業系統。像Ready System(後來的Microtec   Research)公司的VRTX、Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS與IMAG 公司的Vx_Works、QNX公司的QNX等。它們採用全搶佔排程方案,響應時間很短;採用微核心技術,設計追求靈活性,可配置、可裁剪、可擴充、可移植;強實時和高可靠性,有適應各種主流CPU的版本,非常適合嵌入式應用。商用嵌入式實時多工作業系統把嵌入式系統的開發工作從小範圍內解放出來,促使嵌入式應用擴充套件到更廣闊的領域。
應用走向縱深
  90年代,在分佈控制、柔性製造、數字化通訊和數字化家電等巨大需求的牽引下,嵌入式應用進一步加速發展。面向實時訊號處理演算法的DSP向高速、高精度、低功耗發展,Texas推出第三代DSP單片TMS320C30,微控制器向32位高速智慧化介面前進;Motorola推出了32位的683XX系列,廣泛用於數字通訊、程控機;Intel也把   80386CPU和PC AT的外圍電路整合為一個80386EX嵌入式微處理器,可方便地將豐富的PC軟體轉向嵌入式應用。這時,以往那種8位微處理器和微控制器的開發手段已不適應人們對開發速度的要求,嵌入式系統軟體生產成為新的一輪競爭的焦點,不少公司紛紛推出嵌入式系統的整合化的開發環境。像MR公司的XRAY,IMAG的Tornado等,它們都採用交叉開發方法,在Unix或主機平臺上開發與之連線的目標機。開發環境包括自己的可剪裁的微核心實時多工作業系統,主機上的編譯、、檢視等工具,以及利用串列埠、、ICE等主機與目標機的連線工具。它們的特點是有各種第三方的開發工具可以選用,像"邏輯分析儀"、程式碼測試工具、原始碼分析工具等一應俱全,支援多種32位目標機體系結構,支援多處理器並行開發。使用這樣的工具自然大大加快了產品的開發速度。
  90年代末期,在計算機、控制、通訊互相融合的基礎上,開始了計算機和家電融合的新浪潮,、數位相機、數碼攝像機、數碼彩電等數字化、智慧化的家用電器走出實驗室,走向商品貨架。在跨入數字化社會的過程中,嵌入式體系結構,包括嵌入式、嵌入式軟體、嵌入式開發環境起著開路先鋒的作用。在新的世紀裡它將進一步發展,為人類做出更多的貢獻。今天,在一架先進的飛機上可能有十幾臺嵌入式微機、上百個微控制器,到下世紀你會在你的家裡發現同樣多的嵌入了的產品在為你服務。