嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的“神經(jīng)末梢”，是嵌入到物理設(shè)備中的專用計(jì)算系統(tǒng)，通過軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備功能、性能及交互的智能控制。從1971年11月第一款微處理器的推出[1]，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)已經(jīng)囊括虛擬化、微服務(wù)、異構(gòu)并行計(jì)算和邊緣計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域。

2. 國外發(fā)展現(xiàn)狀

圖1為美國NASA為阿波羅登月任務(wù)設(shè)計(jì)的Apollo Guidance Computer，這是最早的嵌入式設(shè)備之一，具有定制微控制器和只讀程序存儲(chǔ)器，用于實(shí)現(xiàn)特定的飛行控制功能[2]。此階段嵌入式架構(gòu)以硬件為中心，系統(tǒng)功能固定，控制方式以輪詢和簡單中斷為主，尚未形成操作系統(tǒng)支持的體系結(jié)構(gòu)。

Figure?1.  Apollo guidance computer

圖1. 阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)

進(jìn)入70年代末至80年代，隨著微處理器的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)開始普及。Intel推出的8080、8051以及Motorola 6800 (如圖2)等處理器成為工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療電子等領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的主力平臺(tái)[3]。系統(tǒng)軟件方面，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的出現(xiàn)使得嵌入式系統(tǒng)首次具備了多任務(wù)調(diào)度、中斷優(yōu)先級(jí)、時(shí)間管理等功能[4]，體系結(jié)構(gòu)開始向分層設(shè)計(jì)演進(jìn)。

Figure?2.  Motorola?6800?chip

圖2. Motorola 6800芯片

1990年代是嵌入式架構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。System-on-Chip (SoC)設(shè)計(jì)理念興起，處理器廠商開始將CPU核、DMA、內(nèi)存控制器等功能集成于單芯片，大幅提升了性能與集成度[2]。同時(shí)，ARM架構(gòu)以其低功耗、高性能的優(yōu)勢迅速崛起，成為嵌入式處理器的主流。

21世紀(jì)初，嵌入式系統(tǒng)邁向網(wǎng)絡(luò)化與智能化階段，體系架構(gòu)呈現(xiàn)出以硬件抽象層、RTOS內(nèi)核、中間件、應(yīng)用層組成的分層結(jié)構(gòu)，并廣泛應(yīng)用輕量級(jí)協(xié)議(如MQTT)與遠(yuǎn)程交互機(jī)制，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的需求[4] [5]。此階段的嵌入式系統(tǒng)已不再局限于本地控制，而是成為邊緣智能節(jié)點(diǎn)，參與更大范圍的協(xié)同計(jì)算體系，基于物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算的設(shè)計(jì)被廣泛提出，如圖3就是一款基于邊緣計(jì)算的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。

近年來，人工智能和邊緣計(jì)算進(jìn)一步推動(dòng)嵌入式體系結(jié)構(gòu)升級(jí)。以NVIDIA Jetson、Google Edge TPU等平臺(tái)為代表的新一代嵌入式系統(tǒng)，采用異構(gòu)多核架構(gòu)(CPU + GPU + NPU)，具備強(qiáng)大的AI推理能力[5]。操作系統(tǒng)則向微內(nèi)核、分布式和虛擬化方向發(fā)展(如L4ReC) (見圖4)，這是一款基于微內(nèi)核設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，旨在為嵌入式系統(tǒng)和虛擬化提供支持。操作系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性、安全性與可擴(kuò)展性[6]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更注重模塊解耦、資源隔離與AI能力的深度融合，使嵌入式系統(tǒng)在自動(dòng)駕駛、工業(yè)視覺、智能終端等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

Figure?3. L4ReC?Embedded?reconfigurable?system

圖3. L4ReC嵌入式可重構(gòu)系統(tǒng)

Figure?4.  Edge?computing?based industrial robot system architecture diagram

圖4. 基于邊緣計(jì)算的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

總體來看，國外嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)的發(fā)展歷程體現(xiàn)了從專用向通用、從簡單向智能、從單核向異構(gòu)的演進(jìn)趨勢。隨著AI、IoT與通信技術(shù)融合不斷深入，嵌入式架構(gòu)將持續(xù)在性能、安全、可擴(kuò)展性與智能協(xié)同等方面推進(jìn)創(chuàng)新，繼續(xù)支撐下一代智能系統(tǒng)的發(fā)展。

3. 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)的發(fā)展歷程始于20世紀(jì)80年代，早期嵌入式系統(tǒng)主要依賴引進(jìn)國外平臺(tái)和器件[7]，這一階段的嵌入式架構(gòu)尚未形成完整體系，主要為高校和研究所基于單片機(jī)進(jìn)行的開發(fā)實(shí)驗(yàn)與科研探索。

進(jìn)入90年代中后期，隨著電子信息技術(shù)在國內(nèi)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段。高校和企業(yè)開始引入國外嵌入式處理器和開發(fā)平臺(tái)，如ARM7、ARM9等，同時(shí)接觸并應(yīng)用一些主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，包括uC/OS-II、VxWorks [8]等。

進(jìn)入2000年代，嵌入式系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，涵蓋工業(yè)控制、家電控制、通信設(shè)備、消費(fèi)電子等。體系架構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展，開始采用基于SoC的設(shè)計(jì)模式，集成度和復(fù)雜性顯著提升。國產(chǎn)處理器如龍芯、飛騰、君正等逐步推向市場[9]，RT-Thread、MiniGUI、嵌入式Linux等國產(chǎn)操作系統(tǒng)及圖形界面庫也在不斷完善[4]。

2010年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件興起，嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化和智能化演化。國產(chǎn)芯片廠商如兆易創(chuàng)新、全志科技、瑞芯微等崛起，推出面向物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的MCU、MPU平臺(tái)[10]，嵌入式處理器架構(gòu)向ARM Cortex-M (如圖5)和Cortex-A系列靠攏，支持多核并發(fā)、外設(shè)接口豐富，具備較高實(shí)時(shí)性與低功耗特性。操作系統(tǒng)方面，RT-Thread發(fā)展出Nano、Smart等不同形態(tài)，華為LiteOS、阿里AliOS Things也加入國產(chǎn)RTOS陣營，支持BLE、Wi-Fi、NB-IoT等通信協(xié)議棧，形成以RTOS為核心、多層中間件協(xié)同的完整體系結(jié)構(gòu)[11]。

Figure?5. ARM?Cortex?M? architecture

圖5. ARM Cortex-M架構(gòu)

近年來，隨著鴻蒙操作系統(tǒng)的發(fā)布以及RISC-V開源指令集在國內(nèi)的推廣，中國嵌入式體系架構(gòu)正進(jìn)入融合創(chuàng)新的新階段[12]。鴻蒙OS以微內(nèi)核與分布式架構(gòu)為核心理念，針對(duì)多設(shè)備協(xié)同運(yùn)行、端云協(xié)同構(gòu)建和高可靠實(shí)時(shí)控制場景進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)，推動(dòng)國產(chǎn)嵌入式系統(tǒng)向泛終端、泛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方向演進(jìn)。同時(shí)，賽昉、芯來、全志等公司紛紛推出RISC-V架構(gòu)芯片，結(jié)合輕量化操作系統(tǒng)與推理框架(如Tengine [13]，見圖6)，在智能終端、邊緣AI等場景中形成新的體系結(jié)構(gòu)路徑。翼輝信息自主研發(fā)的ECS嵌入式安全容器通過μs級(jí)實(shí)時(shí)響應(yīng)、MB級(jí)輕量化資源隔離和全架構(gòu)兼容特性，為航空航天、智能制造等關(guān)鍵領(lǐng)域提供自主可控的容器化基礎(chǔ)設(shè)施，填補(bǔ)了傳統(tǒng)容器在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)空白，推動(dòng)任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)向云原生架構(gòu)安全演進(jìn)。翼輝VSOA微服務(wù)框架憑借全雙工通信、內(nèi)置服務(wù)發(fā)現(xiàn)和SIL4安全認(rèn)證等核心能力，為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供高可靠、低延遲的分布式服務(wù)架構(gòu)，全面滿足汽車電子和工業(yè)控制等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性、安全性和靈活性的嚴(yán)苛要求，加速嵌入式系統(tǒng)向云原生架構(gòu)的智能化升級(jí)。總體來看，中國嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了從引進(jìn)模仿到自主構(gòu)建的轉(zhuǎn)變，未來將在異構(gòu)計(jì)算、低功耗AI、安全可信計(jì)算等領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，構(gòu)建以國產(chǎn)軟硬件為核心的新型嵌入式技術(shù)生態(tài)。

在嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，混合關(guān)鍵性系統(tǒng)代表了一種從傳統(tǒng)的“一功能一硬件”的聯(lián)邦式架構(gòu)向基于資源共享的集成式架構(gòu)演進(jìn)的核心范式。其根本目標(biāo)是在單個(gè)高性能硬件平臺(tái)(如多核處理器或片上系統(tǒng)SoC)上，整合運(yùn)行具有不同安全關(guān)鍵性等級(jí)(如安全關(guān)鍵、任務(wù)關(guān)鍵、非關(guān)鍵)的軟件組件，從而顯著降低系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗和成本。這種架構(gòu)的核心設(shè)計(jì)原則是保證時(shí)空隔離性。與傳統(tǒng)架構(gòu)依賴物理隔離來實(shí)現(xiàn)安全不同，混合關(guān)鍵性系統(tǒng)通過硬件與系統(tǒng)軟件層面的協(xié)同設(shè)計(jì)，在共享資源上構(gòu)建邏輯隔離。在時(shí)間維度，采用時(shí)間分區(qū)調(diào)度或增強(qiáng)型實(shí)時(shí)調(diào)度算法，確保高關(guān)鍵性任務(wù)的計(jì)算時(shí)間預(yù)算不被低關(guān)鍵性任務(wù)搶占；在空間維度，利用內(nèi)存管理單元(MMU)或內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)為每個(gè)分區(qū)或任務(wù)提供獨(dú)立受保護(hù)的地址空間，防止錯(cuò)誤的內(nèi)存訪問造成跨任務(wù)數(shù)據(jù)污染。因此，在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)中，混合關(guān)鍵性系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“軟件定義”功能集中化(如汽車域控制器、航空綜合模塊化航電)的核心基石，它通過在集成化與安全性之間取得精密平衡，推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)向更高效、更靈活、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。國內(nèi)在工業(yè)(如OpenEuler Embedded [14])和學(xué)術(shù)界[15]-[18]都有大量的關(guān)于混合關(guān)鍵性系統(tǒng)的工作。

Figure?6.  ECIoT? architecture

圖6. ECIoT架構(gòu)

4. 國內(nèi)外發(fā)展對(duì)比

嵌入式系統(tǒng)作為信息技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用融合的關(guān)鍵技術(shù)，其體系架構(gòu)的發(fā)展在國內(nèi)外呈現(xiàn)出不同的路徑與節(jié)奏。國外嵌入式體系架構(gòu)的發(fā)展起步早，以美國NASA的Apollo導(dǎo)航計(jì)算機(jī)為代表，隨著微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)逐漸形成以微處理器+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心的架構(gòu)形態(tài)。進(jìn)入90年代，國外體系結(jié)構(gòu)迅速邁入SoC集成階段，ARM、MIPS等處理器架構(gòu)與嵌入式Linux、VxWorks、QNX等操作系統(tǒng)緊密結(jié)合，形成軟硬件高度耦合、支持多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信的成熟平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于通信、汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

相比之下，中國的嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)起步于20世紀(jì)80年代，初期以引進(jìn)國外芯片與開發(fā)板為主，系統(tǒng)功能主要集中在工業(yè)控制、儀器儀表等場景。90年代后，隨著高校教學(xué)與科研的推廣，ARM架構(gòu)逐漸在國內(nèi)普及，嵌入式軟件架構(gòu)逐步從裸機(jī)控制向分層設(shè)計(jì)演進(jìn)。進(jìn)入新世紀(jì)后，中國在政策支持和產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)下，大力推動(dòng)自主嵌入式體系的發(fā)展，體系結(jié)構(gòu)日趨規(guī)范化與平臺(tái)化。

當(dāng)前，國外嵌入式體系架構(gòu)已廣泛實(shí)現(xiàn)多核異構(gòu)、AI協(xié)同、虛擬化等先進(jìn)特性，嵌入式設(shè)備具備強(qiáng)大邊緣計(jì)算能力，并通過微內(nèi)核架構(gòu)與分布式機(jī)制實(shí)現(xiàn)設(shè)備間協(xié)同控制。而國內(nèi)在保持穩(wěn)定控制能力的基礎(chǔ)上，正加速向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向邁進(jìn)，鴻蒙OS的提出標(biāo)志著國內(nèi)嵌入式體系在分布式架構(gòu)方面的重大突破，同時(shí)RISC-V指令集的興起也為中國構(gòu)建開放、自主的體系結(jié)構(gòu)提供了新路徑?？傮w而言，國外嵌入式體系以長期積累和技術(shù)成熟為優(yōu)勢，形成了完整生態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)體系，而中國則通過政策引導(dǎo)和技術(shù)追趕，逐步建立起以自主可控為目標(biāo)的本土嵌入式架構(gòu)體系。

5. 發(fā)展趨勢與展望

隨著新一代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)正面臨前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，從傳統(tǒng)的單芯片控制逐步走向異構(gòu)融合、智能協(xié)同和邊緣自治，呈現(xiàn)出多個(gè)顯著的發(fā)展趨勢。

首先，嵌入式體系架構(gòu)正朝著異構(gòu)計(jì)算方向快速發(fā)展。傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)以單一CPU或MCU為核心，難以滿足當(dāng)前對(duì)計(jì)算密度、低功耗和多任務(wù)并行處理的需求。為了應(yīng)對(duì)人工智能、圖像識(shí)別、實(shí)時(shí)決策等高復(fù)雜度應(yīng)用，嵌入式平臺(tái)逐步集成多種異構(gòu)計(jì)算單元，如GPU、DSP、FPGA、NPU等，形成CPU+X的多核協(xié)同架構(gòu)[2]。

其次，操作系統(tǒng)和軟件體系正向微內(nèi)核、模塊化、組件化方向演進(jìn)。嵌入式操作系統(tǒng)正在逐步摒棄傳統(tǒng)的單體內(nèi)核設(shè)計(jì)，采用更具安全性和可擴(kuò)展性的微內(nèi)核架構(gòu)，能夠支持動(dòng)態(tài)加載、服務(wù)隔離、權(quán)限分離等機(jī)制，提高系統(tǒng)的可管理性和容錯(cuò)能力。同時(shí)，中間件技術(shù)和輕量級(jí)虛擬化工具也被廣泛引入，以便于跨平臺(tái)部署和設(shè)備間協(xié)同。操作系統(tǒng)還不斷向下適配資源受限設(shè)備，向上對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和云服務(wù)，成為連接設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的核心軟件支撐。

隨著人工智能技術(shù)的普及，嵌入式系統(tǒng)正逐步具備邊緣智能的能力。過去需要通過云端完成的圖像識(shí)別、語音處理、目標(biāo)檢測等任務(wù)，現(xiàn)今越來越多地在終端設(shè)備本地完成，降低了延遲，減少了帶寬占用，同時(shí)提升了系統(tǒng)的隱私保護(hù)能力。這一趨勢推動(dòng)了邊緣AI芯片、TinyML算法和小模型加速庫的快速發(fā)展，也對(duì)架構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性與可裁剪性提出了更高要求[19]。

未來，嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)還將繼續(xù)向分布式與協(xié)同計(jì)算演化。在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等復(fù)雜應(yīng)用場景中，多個(gè)嵌入式節(jié)點(diǎn)需要以高可靠、低延遲的方式協(xié)同工作。這要求體系架構(gòu)不僅關(guān)注單一設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)，還需考慮網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、分布式資源調(diào)度、實(shí)時(shí)同步與容災(zāi)機(jī)制等系統(tǒng)性問題。

綜上所述，嵌入式系統(tǒng)體系架構(gòu)的發(fā)展正從功能單一、結(jié)構(gòu)固定的傳統(tǒng)模式，邁向智能化、異構(gòu)化、安全化與開放化的新階段。未來的嵌入式系統(tǒng)將不僅僅是“設(shè)備的大腦”，更將成為邊緣智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其體系架構(gòu)設(shè)計(jì)也將持續(xù)融合多領(lǐng)域技術(shù)，成為推動(dòng)智能社會(huì)發(fā)展的核心支柱。