單片機與嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系

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1、單片機與嵌入式關(guān)系 一、現(xiàn)代計算機的技術(shù)發(fā)展史 1. 始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用 電子數(shù)字計算機誕生于1946 年，在其后漫長的歷史進程中，計算機始終是供養(yǎng)在特殊的機 房中，實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設(shè)備。直到20 世紀 70 年代，微處理器的出現(xiàn)，計算機才 出現(xiàn)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、價廉、高可靠性特點， 迅速走出機房；基于高速數(shù)值解算能力的微型機，表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人 士的興趣，要求將微型機嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)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(gòu)成自 動駕駛

2、儀或輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。這樣一來，計算機便失去了原來的形態(tài)與通用的計算機功 能。為了區(qū)別于原有的通用計算機系統(tǒng)，把嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象體系智能化控制 的計算機，稱作嵌入式計算機系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，嵌入式系統(tǒng)的 嵌入性本質(zhì)是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去，這些是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā) 2. 現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支 由于嵌入式計算機系統(tǒng)要嵌入到對象體系中，實現(xiàn)的是對象的智能化控制，因此，它有著 與通用計算機系統(tǒng)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(tǒng)的技術(shù)要求是高 速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。而嵌

3、 入式計算機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)進行改裝，在大型設(shè)備中實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而 對于眾多的對象系統(tǒng)（如家用電器、儀器儀表、工控單元??），無法嵌入通用計算機系 統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)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(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支。 如果說微型機的出現(xiàn)，使計算機進入到現(xiàn)代計算機發(fā)展階段，那么嵌入式計算機系統(tǒng)的誕 生，則標志了計算機進入了通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支并

4、行發(fā)展時代， 從而導(dǎo)致20 世紀末，計算機的高速發(fā)展時期。 3. 兩大分支發(fā)展的里程碑事件 通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)的專業(yè)化分工發(fā)展，導(dǎo)致20 世紀末、21 世紀初，計算 機技術(shù)的飛速發(fā)展。計算機專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計算機系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)，不必 兼顧嵌入式應(yīng)用要求，通用微處理器迅速從286、386、486 到奔騰系列；操作系統(tǒng)則迅速 擴張計算機基于高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力，使通用計算機系統(tǒng)進入到盡善盡美階段。 嵌入式計算機系統(tǒng)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 它動員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家與專業(yè)人士，接過起源于計算機領(lǐng)域的嵌入

5、式系 統(tǒng)，承擔起發(fā)展與普及嵌入式系統(tǒng)的歷史任務(wù)，迅速地將傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的 現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代。 因此，現(xiàn)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 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(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域，使計算機成為進入 人類社會全面智能化時代的有力工具。 二、嵌入式系統(tǒng)的定義與特點 如果我們了解了嵌入式（計算機）系統(tǒng)的由來與發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)就不會產(chǎn)生過多的誤 解，而能歷史地、本質(zhì)地、普遍適用地定義嵌入式系統(tǒng)。 1. 嵌入式系統(tǒng)的定義 按照歷史性、本質(zhì)性、普遍性要求，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對象體系中的專用計 算機系統(tǒng)”。

6、“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。 對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。 2. 嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)的特點與定義不同，它是由定義中的三個基本要素衍生出來的。不同的嵌入式 系統(tǒng)其特點會有所差異。與“嵌入性”的相關(guān)特點：由于是嵌入到對象系統(tǒng)中，必須滿足 對象系統(tǒng)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（價廉）等要 求。與“專用性”的相關(guān)特點：軟、硬件的裁剪性；滿足對象要求的最小軟、硬件配置等 與“計算機系統(tǒng)”的相關(guān)特點：嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對象系統(tǒng)控制要求的計算機系統(tǒng) 與上兩個特點相呼應(yīng)，這樣的計算機必須配置有與對

7、象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路。 另外，在理解嵌入式系統(tǒng)定義時，不要與嵌入式設(shè)備相混淆。嵌入式設(shè)備是指內(nèi)部有嵌入 式系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)備，例如，內(nèi)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(tǒng)的種類與發(fā)展 按照上述嵌入式系統(tǒng)的定義，只要滿足定義中三要素的計算機系統(tǒng)，都可稱為嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)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(tǒng)，但由于嵌入式系統(tǒng)是一個嵌入式計算機系統(tǒng)，因 此，只有將嵌入式處理器構(gòu)成一個計算機系統(tǒng)，并作為嵌入式應(yīng)用時，這樣的計算機系統(tǒng) 才可稱作嵌入式系統(tǒng)。

8、嵌入式系統(tǒng)與對象系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴展 對象系統(tǒng)要求的外圍電路（如ADC、DAC、PWM、日歷時鐘、電源監(jiān)測、程序運行監(jiān)測電路等）， 形成滿足對象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)作為一個專用計算機系統(tǒng)，要不斷 向計算機應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展。因此，可以把定義中的專用計算機系統(tǒng)引伸成，滿足對象系統(tǒng)要 求的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。 三、嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展道路 1. 單片機開創(chuàng)了嵌入式系**立發(fā)展道路 嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機時代，然而，微型計算機的體積、價位、可靠性都無法 滿足廣大對象系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路

9、 就是芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系**立發(fā)展的單片機時代。 在探索單片機的發(fā)展道路時，有過兩種模式，即“工模式”與“創(chuàng)新模式”?！肮つＪ健?本質(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(tǒng)中的基本單元進行裁剪后， 集成在一個芯片上，構(gòu)成單片微型計算機；“創(chuàng)新模式”則完全按嵌入式應(yīng)用要求設(shè)計全 新的，滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式等。 Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創(chuàng)新模式發(fā)展起來的單片形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)（單片 微型計算機）。 MCS-51 是在 MCS-48 探索基礎(chǔ)上，進行全面完善的嵌入式系統(tǒng)。歷史

10、證明， “創(chuàng)新模式”是嵌入式系**立發(fā)展的正確道路， MCS-51 的體系結(jié)構(gòu)也因此成為單片嵌入式 系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)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(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(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。在開創(chuàng)嵌入式系**立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒。 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

11、斷擴展?jié)M 足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)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(tǒng)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)廠家。從這一角度來看，In tel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方 面，最著名的廠家當數(shù) Philips 公司。 Philips公司以其在嵌入式應(yīng)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(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史 功績。 3?單片機是嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng) 在芯片上的最

12、大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SoC化趨勢。隨著微電子技 術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(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(yīng)用系統(tǒng)。 四、嵌入式系統(tǒng)的兩種應(yīng)用模式 嵌入式系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用特點，決定了它的多學科交叉特點。作為計算機的內(nèi)含，要求計 算機領(lǐng)域人員介入其體系結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)、工程應(yīng)用方面的研究。然而，了解對象系統(tǒng)的 控制要求，實現(xiàn)系統(tǒng)控制模式必須具備對象領(lǐng)域的專業(yè)知識。因此，從嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的 歷史過程，以及嵌入式應(yīng)用的多樣性中，可以了解到客觀上形成的兩種應(yīng)用模式。 1. 客觀存在的兩種應(yīng)

13、用模式 嵌入式計算機系統(tǒng)起源于微型機時代，但很快就進入到獨立發(fā)展的單片機時代。在單片機 時代，嵌入式系統(tǒng)以器件形態(tài)迅速進入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為 主體，實現(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計算機專業(yè)隊伍并沒有真正進入單片機應(yīng)用領(lǐng)域。 因此，電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習慣性的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機的應(yīng)用開發(fā)。 這種應(yīng)用模式最重要的特點是：軟、硬件的底層性和隨意性；對象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相 關(guān)性；缺少計算機工程設(shè)計方法。 雖然在單片機時代，計算機專業(yè)淡出了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，但隨著后PC時代的到來，網(wǎng)絡(luò)、 通信技術(shù)得以發(fā)展；同時，嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)有了很大的提升，為計算

14、機專業(yè)人士 介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊天地。計算機專業(yè)人士的介入，形成的計算機應(yīng)用模式帶 有明顯的計算機的工程應(yīng)用特點，即基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的 非嵌入式底層應(yīng)用。 2.兩種應(yīng)用模式的并存與互補 由于嵌入式系統(tǒng)最大、最廣、最底層的應(yīng)用是傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域的智能化改造，因此，以 通曉對象專業(yè)的電子技術(shù)隊伍為主，用最少的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開銷，以8 位機為主， 帶有濃重的電子系統(tǒng)設(shè)計色彩的電子系統(tǒng)應(yīng)用模式會長期存在下去。 另外，計算機專業(yè)人士會愈來愈多地介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，但囿于對象專業(yè)知識的隔閡， 其應(yīng)用領(lǐng)域會集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、商務(wù)電子等方面，不

15、可能替代原來電子工程師 在控制、儀器儀表、機械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，客觀存在的兩種應(yīng)用模式會長 期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補充。電子系統(tǒng)設(shè)計模式應(yīng)從計算機應(yīng)用設(shè)計模式中， 學習計算機工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計算機應(yīng)用設(shè)計模式應(yīng)從電子系統(tǒng)設(shè)計模式 中，了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍電路設(shè)計方法和對象系統(tǒng)的基本要 求等。 3. 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的高低端 由于嵌入式系統(tǒng)有過很長的一段單片機的獨立發(fā)展道路，大多是基于8 位單片機，實現(xiàn)最 底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設(shè)計模式特點。大多數(shù)從事單片機應(yīng)用開發(fā) 人員，都是對象系統(tǒng)領(lǐng)域中的電子系統(tǒng)工程

16、師，加之單片機的出現(xiàn)，立即脫離了計算機專 業(yè)領(lǐng)域，以“智能化”器件身份進入電子系統(tǒng)領(lǐng)域，沒有帶入“嵌入式系統(tǒng)”概念。因此 不少從事單片機應(yīng)用的人，不了解單片機與嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系，在談到“嵌入式系統(tǒng)”領(lǐng) 域時，往往理解成計算機專業(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(yīng)用。這樣，“單片機”與“嵌入式系統(tǒng)”形成了嵌入式系統(tǒng)中常見的兩個獨立的名 詞。但由于“單片機”是典型的、獨立發(fā)展起來的嵌入式系統(tǒng)，從學科建設(shè)的角度出發(fā)， 應(yīng)該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”?？紤]到原來單片機的電子系統(tǒng)底層應(yīng)用特點，可以把嵌 入式系統(tǒng)應(yīng)用分成高端與低端，把原來的單片機應(yīng)用理解成嵌入式系統(tǒng)的低端應(yīng)用，含義 為它的底層性以及與對象系統(tǒng)的緊耦合。