隨著現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已深入到社會的各個領(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)

對于不懂這方面知識的人來說，嵌入式系統(tǒng)這個詞可能顯得比較深奧，其實嵌入式系統(tǒng)和普通人的生活聯(lián)系非常緊密。手機、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、有線電視機頂盒，你一定不陌生，它也是嵌入式系統(tǒng)；汽車、ATM自動取款機、電梯等等都屬于嵌入式系統(tǒng)。以上僅從應(yīng)用方面感性的認識嵌入式系統(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，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。”[13]對于這個定義，我有兩點疑義：其一，說嵌入式系統(tǒng)“以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)”，我認為不全面，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“專用計算機系統(tǒng)”，我認為不正確，它混淆了嵌入式系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)的區(qū)別。何立民老師說得好：“嵌入式系統(tǒng)不是專用計算機系統(tǒng)”［4］，嵌入式系統(tǒng)是一個智能化的控制系統(tǒng)。

為什么嵌入式系統(tǒng)不是“專用計算機系統(tǒng)”，不只是“以計算機技術(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“專用計算機系統(tǒng)”

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

2.1  發(fā)展并行獨立

嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展至今約30年了。它與計算機系統(tǒng)是兩個獨立的發(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，誕生于微型計算機時代，二者發(fā)展并行獨立。［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，它有兩個功能，其一是運算處理功能，即高速海量的解算能力，它促使了計算機獨立的飛速發(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，它促使了嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展至今。

20世紀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，他們將微機嵌入到對象體系內(nèi)，經(jīng)過電氣、機械加固，并配置各種外圍接口，從而實現(xiàn)了對對象體系的智能化控制。這樣此微機便失去了原來的形態(tài)和微型計算機功能，嵌入式計算機系統(tǒng)(簡稱嵌入式系統(tǒng))由此而得名。由于嵌入式系統(tǒng)要求嵌入到對象器件內(nèi)，體積要特小，功能要可靠，成本還要低，而計算機無法承擔起對對象系統(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。它的特點是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于開發(fā)以及價格經(jīng)濟。它可以說是目前嵌入式系統(tǒng)的前身。單片機就是把對象所需要的主要功能集成到了一個芯片上，通常一個單片機芯片包含了運算處理單元、ARM、Flash存儲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，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芯片內(nèi)部來控制外部設(shè)備。單片機常被用在智能儀器、工業(yè)測量、辦公自動化方面。如數(shù)字電表、公交IC刷卡系統(tǒng)、打印機等，內(nèi)部都有單片機存在。

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，它不是起源于計算機，所以它不是“專用計算機系統(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“專用計算機系統(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，是要嵌入到對象體系中，與對象系統(tǒng)有機地結(jié)合，實現(xiàn)的是對對象系統(tǒng)的智能化控制。它有著與計算機完全不同的技術(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)濟實惠；從應(yīng)用的范圍上，要面向市場、面向用戶、面向?qū)ο?、面向產(chǎn)品；從技術(shù)上，要求提高對對象的智能化控制能力、與對象密切相關(guān)的嵌入性能和控制的可靠性。

計算機系統(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)值計算、總線速度的無限提升、存儲容量的不斷擴大。

所以我們說：嵌入式系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)，技術(shù)要求、技術(shù)發(fā)展方向根本不同，不應(yīng)定義為“專用計算機系統(tǒng)”。如果定義為“專用計算機系統(tǒng)”，就等于嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，要沿著計算機技術(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個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(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個層次的軟硬件，有4個通道接口，它的通道接口是為了嵌入到對象體系去，和對象體系產(chǎn)生4個界面。它的核心是嵌入式微處理器，這個處理器不是通用的計算機處理器。也就是說，二者采用的處理器是截然不同的。嵌入式外圍功能擴展之后，形成了微控制器，其對象接口技術(shù)擴展，產(chǎn)生4個接口，形成了SoC整個片上結(jié)構(gòu)，4個中斷。其軟件分為：指令系統(tǒng)、驅(qū)動軟件、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。計算機是通用的處理器，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，有利于整個系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化。

② 計算機是標準總線和外設(shè)，嵌入式總線和外部接口都集成在處理器內(nèi)；計算機軟硬件相對獨立，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；計算機系統(tǒng)偏重多功能處理設(shè)置，嵌入式系統(tǒng)重在對對象的控制能力設(shè)置。

所以說，嵌入式體系結(jié)構(gòu)與計算機的體系結(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)，不是計算機系統(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“專用計算機系統(tǒng)”。

2.4  功能特點各異

① 嵌入式系統(tǒng)具有嵌入性、控制性，軟硬件可根據(jù)對象需要來設(shè)置。計算機系統(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；計算機系統(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算機存儲于磁盤等載體中，而都固化在存儲器芯片或單片系統(tǒng)的存儲器之中，這樣使其結(jié)構(gòu)特別緊湊，從而達到小體積、高效能、低成本、低功耗。計算機結(jié)構(gòu)要求可大可小，大到臺式，小到筆記本、手提電腦等；計算機的CPU要求嚴格，相比嵌入式系統(tǒng)的微處理器，一般價格昂貴，達不到嵌入式系統(tǒng)那樣低成本、低功耗。嵌入式系統(tǒng)通常使用閃存（Flash Memory）等作為存儲介質(zhì)，以提高速度、減小體積、降低功耗。而計算機通常使用磁盤這類具有大容量但速度較慢的存儲介質(zhì)。

④ 嵌入式系統(tǒng)智能靈活及實時性：就是要對不同的情況作出不同的反應(yīng)，同時必須實時地給出計算的結(jié)果并進行實時控制，計算機在智能靈活性方面則比不上。

⑤ 嵌入式系統(tǒng)可靠性高，因為軟件是固化的。例如，它無病毒侵害。計算機則不然，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、國家機密等重大事務(wù)上。

⑥ 計算機行業(yè)一般受技術(shù)壟斷，例如計算機操作系統(tǒng)方面微軟占居壟斷地位。但嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，不會出現(xiàn)這種情況。因為它是一個分散的，充滿競爭、機遇與創(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。

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

嵌入式系統(tǒng)知識體系具有廣泛性。它與微電子學科技術(shù)、計算機學科技術(shù)、電子學科技術(shù)與對象學科技術(shù)都密切相關(guān)。計算機技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中，承擔著應(yīng)用平臺的構(gòu)建任務(wù)，它包括嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境、計算機工作方法、編程語言、程序設(shè)計方法等內(nèi)容，它是構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)平臺的重要基礎(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)計技術(shù)。它將微電子領(lǐng)域的集成電路設(shè)計，迅速從電路集成、功能集成、技術(shù)集成發(fā)展到知識集成，為計算機技術(shù)提供嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)支持；對象學科技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的最終用戶的技術(shù)學科。對象學科幾乎囊括了所有的科技領(lǐng)域，形成了嵌入式系統(tǒng)一個無限大的應(yīng)用領(lǐng)域。對象學科要在嵌入式系統(tǒng)平臺上構(gòu)建本領(lǐng)域的一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是對象學科的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用要求。同時，在應(yīng)用中要不斷給微電子、集成電路設(shè)計、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)平臺的技術(shù)水平。在對象學科中，廣大的應(yīng)用工程師在嵌入式軟硬件平臺上實現(xiàn)最廣泛的應(yīng)用。圖2將嵌入式系統(tǒng)獨立的知識技術(shù)體系歸類。[6]

圖2

從圖2中可以看到，嵌入式系統(tǒng)是先進的計算機技術(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)新的新型集成知識系統(tǒng)。它以微電子學科、計算機學科、電子技術(shù)學科為構(gòu)建平臺基礎(chǔ)，以對象學科技術(shù)為平臺應(yīng)用，并且各學科技術(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，形成自己獨特的知識技術(shù)體系。

從以上分析可以看出，把嵌入式系統(tǒng)定義為“以計算機技術(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)獨特的學科體系建立。

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、知識技術(shù)體系等方面，對嵌入式系統(tǒng)的定義進行了探討分析，否定了嵌入式系統(tǒng)是“專用計算機系統(tǒng)”，及嵌入式系統(tǒng)是“以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)”的說法，發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)定義確實需要完善。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)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、對象技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可根據(jù)對象需要所設(shè)置，并且嵌入到對象器件內(nèi)，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴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)不再受計算機系統(tǒng)的束縛，嵌入式系統(tǒng)能建立自己獨立的學科體系，高校嵌入式系統(tǒng)教學走向獨立正規(guī)化，嵌入式系統(tǒng)能獨立健康地發(fā)展。