嵌入式系统大有作为6篇文章.doc

有关嵌入式系统的六篇文章国内外嵌入式系统市场是广阔天地（第一篇）信息产业部电子第六研究所 龚炳铮 100083北京九二七信箱 E-mail gongbz 嵌入式系统是指嵌入式计算机(Embedded Computer)及其应用系统，是指嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机系统，它主要完成信号控制的功能，体积小，结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中，它提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部，软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。软硬件可剪裁，适用于对功能、体积、成本、可靠性、功耗有严格要求的计算机系统中。嵌入式计算机系统，最早出现在60年代武器控制中，后来用于军事指挥控制和通信系统，现在广泛用于民用机电一体化产品中。1 国内外嵌入式系统市场是广阔天地：嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。军用：各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。在海湾战争到最近伊拉克战争中广泛使用。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。家用 我国各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，电冰箱，智能玩具等。广泛采用微处理器微控制器及嵌入式软件，EMIT已用于社区对家用电、水、煤气表远程抄表、洗衣机遥控。工业用 各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等。广泛采用微处理器、控制器芯片级、标准总线的模板级及系统嵌入式计算机。商用 各类收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备。办公用 复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、手机、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络设备、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。女娲Hopen嵌入式软件已用于机顶盒、网络电视、电话、手机、个人数字助理（PDA）。医用电子设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。嵌入式系统是数字化电子信息产品的核心，我国嵌入式计算机断层成像系统已出口日本。目前微处理器微控制器产量几亿到10多亿片，远远大于个人计算机通用台式机。目前世界嵌入式系统硬件和软件开发工具市场约2000亿美元，嵌入式系统带来的工业年产值达一万亿美元。随着全球信息化的发展嵌入式系统市场将进一步增长。我国信息化与全面小康社会建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，信息家电产品年需求量几亿台，每一类数字化家电产品都有千万台市场需求量，工业控制用嵌入式系统有百十万台套需求量，商用嵌入式系统需求量几百万台。我国已有集成电路及扳级产品的大批量生产能力，出口的嵌入式应用产品亦将逐步增长，在全球市场也可占有一席之地。到2005年我国嵌入式计算机将创造千亿元的效益，嵌入式计算机是信息产业新的经济增长点。国内外的市场为我国嵌入式系统产业提供大有作为的广阔天地。2 嵌入式系统是新的经济增长点，信息产业大有作为：嵌入式系统是振兴我国信息产业的突破口我国信息产品有了飞速发展取得巨大进步，但产品技术水平、市场占有率与国外发达国家及新兴发展中国家都有很大差距，要迎头赶上必须走技术创新的路子，首先要大力采用嵌入式系统，广泛采用微处理器微控制器及嵌入式软件，提高产品数字化智能化水平，提高产品的性能价格比；无论改造旧产品发展新产品实现技术创新，嵌入式系统都是有效手段和得力工具，嵌入式系统为我们迎头赶上振兴民族信息产业提供了难得的机遇。嵌入式系统是数字化电子产品的核心。微处理器、微控制器及DSP芯片级嵌入式系统和模扳级嵌入式系统以及嵌入式软件是计算机、通讯、仪器仪表等各类电子信息产品的核心，嵌入式系统技术与产品凝聚了信息技术发展的最新成果，数字化智能化网络化是电子信息产品的技术发展方向，电子产品升级换代都必须采用嵌入式系统。芯片技术、软件技术、通讯网络技术等嵌入式系统关键技术的新进展，推动着嵌入式系统升级换代、智能化、普及化水平的提高，普及应用向广度深度的发展。-芯片技术随着半导体工艺技术的发展全球已有30多种系列近千种微处理器（P）、微控制器（C）与讯号处理器（DSP），例如Intel Pentium、strong Arm系列，AMD X86系列，Motorola PowerPC系列，TI 嵌入式DSP的TMS320系列等。单片机已从MCS-51到80C51MCU,现已进入片上系统（SOC）阶段。我国“十五”国家863计划超大规模集成电路SOC专项已启动，近年已研制成国产CPU芯片“龙芯”，“方舟”1、2号，“诺亚2000”，S648SPARC V8系列等，为网络通信，信息安全和关键电子信息产品提供核心芯片，正在建立自己的SOC设计平台及IP核库，形成0.35-0.18m生产技术，建成多条生产线。-嵌入式软件技术嵌入式系统软件，支撑软件及应用软件近年有迅猛的发展。嵌入式操作系统国外有VxWorks,WinCE，PalmOS,EPOC,LynxOS，DSPlinux等。我国开发女娲Hopen、桑夏2000、Delta O.S、中软Linux2.0、红旗Linux及东方Linux等，嵌入式数据库国外有Progress RDBMS, IBM DB2,Infomix Cloudscape等，我国有人大金仓小金灵，东大阿尔派Open Base等；嵌入式Web浏览器如Access Net Front，Lineo Embed ix，微软Packet IE等，我国有Hopen Browser，深圳茁壮ipanet等。嵌入式软件开发平台及工具如Java 2 Micro Fdition（J2ME）用于消费类产品，国内外有大量嵌入式应用软件已广泛用于各类嵌入式系统中。-嵌入式微型因特网互联技术（EMIT Embedded Micro internetworking Technology）是将嵌入式电子设备接入internet，实现internet互联的技术，EMIT系统主要由emMicro微型web服务器、emGateway网关、web客户机和Emit接入函数库四部分组成，Emit已广泛应用于智能建筑、智能家居、智能社区中。近年来出现嵌入式internet概念，指设备通过嵌入式模块而非PC直接接入internet,以internet为介质实现信息交互过程，国内有关单位也开始研制嵌入式internet有关产品。-计算机与现场总线技术模板级与系统级嵌入式计算机总线，近年来PCI，CompactPCI，PICMG，PXI、VME在工业用计算机中广泛应用，在生产现场各测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的现场总线，国外IEC TC65通过的8种现场总线国际标准：Interbus，Profibus，Wordfip，IEC61158TS（FF H1），P-Net，ControlNet，FFHSE（FF H2），SwiftNet.此外CAN,LonWork,Modbus,Cebus亦较流行, 国内外有大量模板级与系统级嵌入式计算机产品及现场总线仪表及控制系统。在我国，除早期进入市场的欧美和台湾省厂商外，以深圳研祥公司为代表的本土厂商90年代起大力着手嵌入式计算机产品的研发生产，并在近两年推出了嵌入式智能平台（EIP，embedded intelligent platform）概念，极大提升了产品应用水平，应用行业从传统工控、交通、电力、电信得到进一步延伸。市场也从台湾品牌一统天下演变为台湾和本土品牌齐头并进之势。除嵌入式计算机外，现场总线如CPCI技术研制和应用工作近几年也受到很大重视。内地厂商在CPCI技术研发上也取得突破性进展。还以研祥为例，经过长期试验，该公司已推出具有自主知识产权面向金融、通信行业呼叫中心的数款CPCI嵌入式产品，填补了过去我国在这一领域的空白。与同类产品相比，这些产品具有性能高、功耗低、可选在板2.5硬盘的特点，受到市场热烈欢迎。3 信息产业部要采取有力措施，大力发展嵌入式系统-要制定芯片、元器件、模扳等嵌入式硬、软件及应用产品发展规划，制定采用国产芯片、模扳级嵌入式系统及软件的鼓励政策及政府采购政策，鼓励采用国产化嵌入式软件及应用产品。-组织中科院、高等院校、信息产业及应用部门研究所、企业通力合作，跟踪国外嵌入式系统技术的新发展，消化吸收、技术创新，开发ASIC专用芯片、FPGA可编程逻辑门阵列、嵌入式支撑软件、应用软件与应用产品，共同推进科技成果商品化、产业化，实现电子产品的数字化智能化网络化，形成一大批有知识产权的名牌产品，打入国内外市场。-鼓励支持“龙芯”与数字化“3C”产品产业联盟成员单位和一批集成电路元器件、整机产品企业集团联合开发数字化电子信息产品，在沿海、中、西部地区建设若干个嵌入式系统技术及产品研究开发与生产基地，尽快开发出有自主知识产权的嵌入式应用系统产品。组成集成电路元器件、模扳、软件、整机嵌入式系统一条龙生产及技术服务体系。-积极开展嵌入式计算机产品电子商务，建立一批专业网站，开展网上销售，远程教育和提供信息服务，为各级领导和技术人员学习嵌入式系统硬件软件及应用技术服务，建立条块结合，产学研结合的技术培训，销售服务及维修体系。研祥联系方式：深圳市研祥智能科技股份有限公司 深圳市天安数码城天吉大厦F5.8幢B座七楼 518040电话传真系人：王玉林 ； 附录1 从Cygnal C8051F 看8 位单片机发展之路（第二篇）北京航空航天大学何立民在嵌入式系统低端的单片机领域，从8 位单片机诞生至今，已近30 年。在百花齐放的单片机家族中，80C51 系列一直扮演着一个独特的角色。Cygnal 推出C8051F 更令业界人士刮目相看。回顾历史，在Intel 公司推出了MCS-51 不久便实施了最彻底的技术开放政策，在众多电器商半导体商的积极参与下，将MCS-51 发展成了众多型号系列的80C51 MCU家族。MCS-51 的经典体系结构，极好的兼容性和Intel 公司的开放政策，不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51 实行为所欲为的改造。由于MCS-51 提供的最佳兼容性，使MCS-51 在被肢解式改造后，还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续，并在未来SoC 发展中担任8 位CPU 内核的重任。回顾80C51 系列从MCS-51的80C51到C8051F的8051内核的过程，我们可以深刻领会到单片机发展的一些规律性东西。1 嵌入式应用中的“8 位机现象”：与从8 位机迅速向16 位、32 位、64 位过渡的通用计算机相比，8 位单片机从20 世纪70 年代初期诞生至今，虽历经从“单片微型计算机”到微控制器MCU 和SoC内核的变迁，8 位机始终是嵌入式低端应用的主要机型，而且在未来相当长的时间里仍会保持这个势头。这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性，从而走向完全不同的技术发展道路。嵌入式系统嵌入到对象体系中，并在对象环境下运行，与对象领域相关的操作主要是对外界物理参数进行采集处理，对外界对象实现控制，并与操作者进行人机交互等，而对象领域中的物理参数的采集与处理，外部对象的控制以及人机交互所要求的响应速度有限，而且不会随时间变化。在8 位单片机能基本满足其响应速度要求后，数据宽度不成为技术发展的主要矛盾，因此8 位单片机会稳定下来，其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集控制可靠性和低功耗等品质要求。随着现代通信技术的发展，智能化系统对DSP 需求的增长，要求单片机相应提高运算速度。当前8 位单片机在不扩展数据总线的情况下，提高运行速度仍有潜力可挖。例如采用RISC结构实现并行流水线作业，CISC 结构的C8051F则采用CIP-8051 结构，使单周期指令速度提高到原8051 的12 倍。鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求，嵌入式系统低端应用的巨大市场以及8 位机具有的速度潜力，可以预期在未来相当长的时间内，8 位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。随着半导体技术的发展，8 位单片机在CPU 结构、CPU 外围、功能外围、外围接口和集成开发环境方面都会迅速地发展，因此可以说8 位单片机虽然“古化”，但又会是一个十分活跃而新兴的嵌入式领域。80C51 系列从Intel 公司的MCS-51 发展到Cygnel 公司的C8051F的过程充分地说明了这一点。28位单片机中的“80C51现象”：在8 位单片机中80C51 系列形成了一道独特的风景线，历史最长，长盛不衰，众星捧月，不断更新，形成了既具有经典性又不乏生命力的一个单片机系列。当前Cygnal 公司推出的C8051F又将8051兼容单片机推上了8位机的先进行列，总结80C51 系列的发展历史，可以看出单片机的3 次技术飞跃：2.1从MCS-51到MCU 的第1 次飞跃：Intel 公司于1980 年推出的MCS-51，奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，但不久就放弃了进一步发展计划，并实施了8051的技术开放政策。无论从主观因素还是客观因素，都是明智之举。因为在创建一个完善的嵌入式计算机体系结构后，面临的是不断满足嵌入式对象要求的各种控制功能，在8051实现开放后，Philips 公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势，着力发展80C51 的控制功能及外围单元，将MCS-51的单片微型计算机迅速地推进到80C51 的MCU 时代，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。2.2 引领Flash ROM 潮流的第2 次飞跃当前嵌入式系统普遍采用Flash ROM 技术，Flash ROM 的使用加速了单片机技术的发展。基于Flash ROM 的ISP/IAP 技术，极大地改变了单片机应用系统的结构模式，以及开发和运行条件，而在单片机中最早实现Flash ROM 技术的是ATMEL 公司的AT89Cxx 系列。2.3 内核化SoC的第3 次飞跃：MCS-51 典型的体系结构以及极好的兼容性，对于MCU 不断扩展的外围来说，形成了一个良好的嵌入式处理器内核的结构模式。当前嵌入式系统应用进入SoC 模式，从各个角度以不同方式向SoC 进军形成了嵌入式系统应用热潮，在这个技术潮流中8051 又扮演了嵌入式系统内核的重要角色，在MCU 向SoC 过渡的数模混合集成的过程中，ADI公司推出了AD C8xx 系列，而Cygnal 公司则实现了向SoC 的C8051F过渡，在PLD 向SoC 发展过程中，Triscend公司在可配置系统芯片CSoC的E5 系列中便以8052 作为处理器内核。3 Cygnal C8051F对80C51 的技术突破：我们习惯于将各厂家开发的与51兼容的形形色色的单片机系列称之为80C51系列，它们都是基于CMOS 工艺并与MCS-51兼容，与MCS-51相比较，80C51已有很大发展。然而当前Cygnal 公司发展的C8051F系列在许多方面已超出当前8 位单片机水平，有许多新的技术概念需要学习与更新。3.1 采用CIP-51 内核，大力提升CISC 结构运行速度：迄今为止MCS-51 已成为8 位机中运行最慢的系列，为了提升速度，Dallas公司和Philips公司采用传统的改变总线速度的办法，将机器周期从12 个缩短到4 个和6 个，速度提升毕竟有限。Cygnal 公司在提升8051 速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC 结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51 的CPU 模式。在这种模式中废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，平均每个时钟可以执行完1 条单周期指令。从而大大提高了指令运行速度，即与8051 相比，在相同时钟下，单周期指令运行速度为原来的12倍，全指令集平均运行速度为原来8051 的9.5 倍，使8051 兼容系列进入了8 位高速单片机行列。3.2 I/O 从固定方式到交叉开关配置：迄今为止，I/O 端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口，可以是单功能或多功能I/O 端口，可编程选择为单向/双向以及上拉开漏等固定方式的I/O 端口。既占用引脚多，配置又不够灵活。为此Secinx公司在推出的8 位SX 单片机系列中，采取虚拟外设的方法。将I/O 的固定方式转变为软件设定方式。而在Cygnal 公司的C8051F 中，则采用开关网络，以硬件方式实现I/O 端口的灵活配置。如图1 所示，在这种通过交叉开关配置的I/O 端口系统中，单片机外部为通用I/O 口，如P0 口P1 口和P2 口，内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器，控制的交叉开关配置到所选择的端口上。图13.3 从系统时钟到时钟系统：早期单片机都是用1 个时钟控制片内所有步序，进入CMOS 时代后，由于低功耗设计的要求，出现了在一个主时钟下，CPU 运行速度可选择在不同的时钟频率下操作，或设置成高低两个主时钟，按系统操作的要求选择合适的时钟速度或关闭时钟。而Cygnal 公司的C8051F，则提供了一个完整而先进的时钟系统。如图2 所示，在这个系统中，片内设置有一个可编程的时钟振荡器，无需外部器件可提供2 4 8 和16 MHz 时钟的编程设定，外部振荡器可选择4 种方式，当程序运行时可实现内外时钟的动态切换，编程选择的时钟输出图2 CYSCLK 除供片内使用外，还可从随意的选择的I/O 端口输出。3.4 从传统的仿真调试到基于JTAG 接口的在系统调试：C8051F在8 位单片机中率先配置了标准的JTAG 接口（IEEE1149.1），引入JTAG 接口将使8 位单片机传统的仿真调试实现彻底的变革，在上位机软件支持下通过串行的JTAG接口直接对产品系统进行仿真调试，C8051F 的JTAG 接口，不仅支持Flash ROM 的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG 逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能，通过边界数据寄存器的编程控制可对所有器件引脚，SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。3.5 从引脚复位到多源复位在非CMOS 单片机中，通常只提供引脚复位的1 种方法，迄今为止的80C51 系列单片机仍然停留在这一水平上。为了系统的安全和CMOS 单片机的功耗管理，对系统的复位功能提出了越来越高的要求，Cygnal 公司的C8051F把80C51 单一的外部复位发展成多源复位，如图3 所示。C8051 的多复位源提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。图33.6 最小功耗系统的最佳支持：在CMOS 系统中，按照CMOS 电路的特点，其系统功耗WS 为：WS=CV2f 式中C 为负载电容V 为电源电压f 为时钟频率。C8051F 是8 位机中首先摆脱5 V 供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的3 V 供电。电压范围2.73.6 V ，大大降低了系统功耗，完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下使系统的平均时钟频率最低，众多的复位源使系统在掉电方式下可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计。因此，C8051F 具有极佳的最小功耗，系统设计环境C8051F虽然摆脱了5 V 供电，但仍可与5 V电路方便地连接，所有I/O 端口可以接收5V 逻辑电平的输入，在选择开漏加上拉电阻到5 V后也可驱动5 V 逻辑器件。4 8051内核在SoC中再做贡献：SoC 是嵌入式应用系统的最终形态，嵌入式系统应用中除了最底层最广泛的单片机外，基于PLD 硬件描述语言的EDA 模式，基于IP 库的微电子ASIC模式等，形成了众多的SoC 解决方法。无论是微电子集成，还是PLD 的可编程设计，还是单片机的模拟混合集成，目的都是SoC。手段也会逐渐形成基于处理器内核加上外围IP单元的模式，作为8 位经典结构的8051已开始为众多厂家承认并广泛用于SoC 的处理器内核。4.1 从单片机向SoC发展的8051 内核：单片机从单片微型计算机向微控制器MCU 发展，体现了单片机向SoC 的发展方向，按系统要求不断扩展外围功能、外围接口以及系统要求的模拟数学混合集成，在向SoC发展过程中，许多厂家引入8051内核构成SoC单片机。例如ADI 公司引入8051 内核后配置自己的优势产品信号调组电路，构成了用于数据采集的SoC。 Cygnal 公司则为8051配置了全面的系统驱动控制、前向/后向通道接口，构成了较全面的通用型SoC。4.2 80C51 内核在PLD 中的SoC 应用基于PLD 采用硬件描述语言设计的电子系统，是近年来十分流行的方法，在解决较大规模的智能化系统时，要求可编程逻辑门数量很大，这导致设计工作量大，资源很难充分利用，出错概率也大。随着IP核及处理器技术的发展，从事可编程逻辑器件的公司在向SoC进军时，几乎都会在将微处理器、存储单元、通用IP模块集成到PLD中，构成可配置的SoC芯片CsoC。当设计人员使用这样的芯片开发产品时，由于系统设计所需部件已有80 %集成在CSoC上，设计者可以节省许多精力。Triscend公司推出的ES系列SoC，就是以8051为处理器核，加上40 KB RAM、WDT、DMA 和4 万门，带SoC 总线的PLD，组成形成了一个以8051为内核的可编程的半定制SoC 器件。4.3 8051 内核可编程选择SoC PSOC 器件中的应用：完全基于通用IP模块，由可编程选择来构成产品SoC的设想，是由Cypress 公司倡导并推出的。这种可编程选择的SoC 取名为PsoC，由基本的CPU 内核和预设的外围部件组成，Cypress将多种数字和模拟器件、微处理器、处理器外围单元、外围接口电路集成到PSoC上，用户只需按产品的功能构建自己的产品系统即可。Cypress 公司在构建PSoC 中的8 位处理器时选择了8051。5 结束语：1嵌入式应用中由于应用对象及环境的特点8 位机一直占据低端应用的主流地位。2在单片机族群中，MCS-51 是一个独特的系列，Intel 公司创建了8 位机的经典系列，并实施技术开发政策，使这个系列历经沧桑而不老。3Philips 等著名大电器商以自己在电子应用技术方面的优势与Intel 公司技术互补，发展了MCS-51，并迅速将单片微型计算机带入了微控制器MCU 时代，创造了许多优异的单片机产品，形成了独特的包含许多公司兼容产品的80C51 系列。4Cygnal 公司推出的C8051F 系列，把80C51 系列推上了一个崭新高度将单片机从MCU 带入了SoC 时代。C8051F 中的一些新技术定会在8 位机中进一步普及与推广。5MCS-51 从单片机微型计算机SCMC到微控制器MCU，再到片上系统SoC内核，显示了嵌入式系统硬件体系典型的变化过程，在嵌入式系统的最终体系SoC中，MCS-51以8051处理器内核的形式延伸下去，这对于国内外从事80C51 教学和科研的广大人士来说，无论是过去现在和未来都能感受它带来的好处。附录2 8 位MCU 的技术现状与发展空间（第三篇）北京航空航天大学何立民1 嵌入式系统应用的高低端1 1 单片机与嵌入式系统如今在新兴的计算机应用技术领域中，没有那个名词会有嵌入式系统更加热门，然而更加奇怪的是在嵌入式应用中摸爬滚打了十余年的单片机，从业人员都被嵌入式系统概念弄得不知所措，岂不知他们玩了十多年的单片机正是一个典型的嵌入式系统。说起嵌入式系统，追根寻源是来自计算机业界的嵌入式计算机系统。当近代计算机技术走向智能化、高可靠性、小体积、低价位的微型机时代，工控领域便要求计算机介入，以实现工控对象的智能化控制。这时计算机业界人士，便将嵌入到对象体系如机车舰船机床等中失去计算机形态、区别于通用计算机、功能专门、用作控制机的计算机系统称之为嵌入式计算机系统。但是众多底层的工控对象，如家电智能仪表汽车等要求嵌入式计算机系统有极小的体积、极低的成本、极简洁方便的系统构成，这是通用计算机系统无法做到的。于是单片机Single Chip Microcomputer 便应运而生，单片机从诞生之初便很快进入工控领域，从业人员多以工控领域为主体对象，他们没有嵌入式计算机系统的概念，以致于当计算机从业人士大批涌入嵌入式应用领域，并习惯地引用嵌入式系统时，而感到茫然。1 2 嵌入式系统应用的高低端随着单片机的应用推广，传统的电子系统全面进入了智能化电子时代，随着通信业兴起、网络时代的到来，嵌入式系统迎来了繁荣时期。与工控领域应用不同，数字信号处理、编码解码、数字变换与网络传输等要求嵌入式系统有高速数据处理能力。DSP 32 位微控制器与微处理器成为主角，与此同时计算机业界人士，开始大量涌入，形成了嵌入式应用的又一次高潮。显然与过去十余年单片机开发的工控领域工控对象不同，如果统称为嵌入式系统应用的话，则把以8 位单片机为主，从事工控领域智能化与工控对象紧耦合的应用称为低端，那么嵌入式系统应用高端则是以32 位嵌入式处理器为主，从事网络通信、数字信号处理、数据变换、网络传输领域应用。1 3 高低端的不同应用特征由于应用领域应用对象的巨大差异嵌入式系统应用出现明显差异表列举了高低端不同的应用特征：表1嵌入式系统高低端应用特征低端应用特征高端应用特征机型816位32位嵌入对象工控领域网络通信数字处理从业人员工控对象专业计算机专业应用系统设计基于器件基于软硬件平台开发模式开发装置、汇编、高级语言、程序设计集成开发环境、高级语言、嵌入式操作系统研发方法机电工程方式计算机工程方法随着嵌入式系统技术的发展，作为以8 位单片机为核心的嵌入式系统低端应用，在应用系统设计、开发模式、研发方法上应不断向高端应用学习，以提高产品研发水平。2 8 位MCU 的技术现状分析2 1 CMOS 化带来的深刻变化：与电流注入型的TTL 电路相比，压控型的CMOS 电路给数字电路系统带来革命性的变革，除了CMOS 电路的本质低功耗外，给嵌入式系统引入了功耗管理概念，依据CMOS 电路功耗表达式 PCFV2, 诞生了与功耗管理相关的最大静态化设计、多电源设计、时钟系统设计与电源系统设计的概念。静态化设计：压控型CMOS 电路在静态下的理想功耗为零，最大静态化设计将保证嵌入式应用系统在所有无效运行的时空上处于电路的静态工作状态。多电源设计：按照CMOS 功耗与电路的平方关系，要降低系统功耗时，应最大限度地降低电路电压，将系统电路划分区域，根据需要在不同的区域设置不同的电源电压。时钟系统设计：考虑到CMOS 电路动态功耗与开关频率相关，在应用系统中应按照不同的CPU 运行速度要求，设计能实现时钟频率调整和及时关断的时钟系统。电源系统设计：为了满足系统中多电源要求以及能及时关断系统，在非有效操作时空上的，供电系统内部应有功耗管理功能的电源系统。2 2 运行速度的不断提高：虽然对满足工控领域有限响应要求的8 位MCU 运行速度不是主要矛盾，但随应用系统智能化水平不断提高，工控智能化系统也出现了诸如数字信号处理、数字传输等CPU 高速运行要求。提高8 位单片机运行速度最有效的途径是RISC 化，采用RISC 结构能方便地实现CPU的并行流水操作，可最大限度地使指令周期趋于时钟周期。在原MCS-51 中单周期指令周期为12 个时钟周期，8 位单片机中AVR 系列和SX 系列已达到1 个时钟周期为一个指令周期，被公认8 位单片机中速度最慢的80C51 系列的运行速度也得到子大幅度提高。Dallas公司和Philips 公司采取减小机器周期提高总线速度的办法，将单周期指令的指令周期机器周期减小到3个和4个时钟周期，而Cygnal 则对8051 的CPU 结构实行彻底改造，在CISC 结构基础上实现并行流水操作，大幅提高CPU 运行速度，一举将单周期指令运行速度提高到时钟运行速度。上述CPU 运行速度的提高，是采取不提高时钟频率下得到的，这样在一定系统时钟频率下可获得较高的指令运行速度，在高速时钟下可达到满足高速操作要求的指令速度。2 3 I/O 端口从固定模式到用户配置模式：早期单片机的I/O 端口都是固定设置为通用I/O 口或某项确定功能的I/O 口，随后进一步发展到I/O 口的快速功能和端口电气特性的设置，如开漏上拉、单双向高阻等。上述这些I/O 口都属于固定模式，即对于一定的I/O 端口只能用于被指定的功能单元，这种方式的缺点是当这些I/O 端口不使用时不能挪作他用。目前8 位单片机出现了在通用I/O端口基础上由用户来规定I/O 端口的功能，这种由用户来规定I/O 端口的功能，加大了I/O 端使用的灵活性，并且提高了端口的使用效率I/O。端口用户配置模式的技术实施方案，有软件的虚拟接口方案和开关网络配置的硬件连接方案。I/O 端口的虚拟接口方案，这是在SX 系列单片机中首次提出并实施的。单片机给出的是通用I/O 口，用户需要时可指定某些通用I/O 口用作指定功能，如UART 、I2C、 SPI端口，端口的相应功能由模拟软件来实现，SX 系列CPU 具有较高的运行速度，I/O 端可虚拟应用的范围较大。I/O 端口的开关网络配置连接方案，这是Cygnal 公司在C8051F 系列中首次推出的。在具有这一功能的单片机中，与I/O 端口相关的功能单元不是直接通过端口锁存器与I/O 口相连，而是通过一个可编程的开关网络与I/O 端口相连。芯片提供的是通用I/O 端口，当用户按应用系统设计，要求选定某一功能单元使用某一I/O 端口时，通过对开关网络的编程选择，使该指定功能与所要求的I/O 端口相连。2 4 从系统时钟到时钟系统：8位MCU 在很长时间里只有一个简单的时钟振荡器，进入CMOS 时代后，为了满足功耗管理要求，单片机的系统时钟一直在不断完善。例如从单时钟到双时钟，以满足高速有效操作时的高速运行和一般有效操作下的低速运行。系统时钟的分区关断，以保证无效操作时关闭CPU 的时钟，休闲状态或关闭系统时钟。掉电状态，系统时钟分频与倍频以满足系统能按需要设置指令运行速度，系统时钟的可编程输出，以满足单片机内部外部扩展功能单元对时钟的需求，并且可根据需要关断。上述这些复杂的要求，不是一个单一的系统时钟能满足的，因此先进的8 位单片机都配置有完善的时钟系统。2 5 从系统电源到电源系统：这也是由CMOS 单片机满足功耗管理而发展起来的。作为单片机的一个芯片系统，理所当然地应设置为单一工作电压，然而由于单片机内部集成的外国功能单元愈来愈多，模数混合集成趋势增强，在理想的低功耗条件下各部分功能单元要求的最低电压不尽相同，按照对CMOS 电路功耗管理的要求能使用低工作电压时决不同高工作电压，同时要能对各部分电路单元实施供电管理，该部分电路不工作时能关断其供电。这样便对芯片内部的供电提出了很高要求，要有一个完善的电源系统来对不同的电路提供不同的工作电压，对于已不在有效操作状态下电路关闭其电源，在保证内部不同电压供电时，保持芯片外部的单一电压供电。2 6 从纯数字电路到数模混合集成：单片机从单片微型计算机(SCMC)到微控制器(MCU)，到片上系统SOC，是单片机的发展趋势。单片机向SOC 的进程中不可避免地要集成许多外围模拟电路，如早期的ADC、比较器等。当前许多8 位单片机已成功地将前向通道的可控增益放大电阻网络多路开关基准电压ADC 等集成到片内，实现了单片机与电量传感器的紧耦合应用。在后向通道中，已集成了完全电压输出的DAC单元。至此作为应用系统中模拟电路单元最重要的部分都可实现片内集成，而目前个别先进的8 位单片机甚至在片内集成有温度传感器如C8051F 系列。2 7 全盘Flash ROM 化趋势业已形成：嵌入式系统中89Cxx系列，率先实现片内Flash 程序存储器。当前在八位机中Flash ROM已成趋势，Flash ROM 不只是提供一种片内ROM 的供货状态，其深远的意义在于为在系统编程ISP 和在应用中编程IAP 提供了技术基础。ISP 技术推动了基于JTAG 接口的仿真调试技术，IAP 技术则开拓了嵌入式产品系统的现场软件诊断更新、远程软件升级等。2 8 JTAG 接口对原有开发环境的突破：目前一些先进的位单片机已配置有标准的JTAG 接口IEEE1149.1，如C8051F 系列单片机引入JTAG 接口，将使8 位单片机的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件的支持下通过串行的JTAG 接口可直接对产品系统进行在系统的仿真调试，不需要外部传统的开发装置。基于JTAG 接口的调试系统，完全通过个端口的JTAG 引脚来观察修改寄存器内容、设单步断点运行，并不断提取指令运行过程的信息，在调试结束后还可通过JTAG 接口对目标系统编程写入，因此有了JTAG 接口，可以甩掉目前8 位单片机广泛使用的基于目标系统外部的专用仿真调试开发装置。2 9 串行接口为主的外围扩展模式与早期8 位单片机应用系统设计中以并行扩展为主的模式相比，8 位单片机应用系统中应以串行扩展为主，这是因为许多原来外围扩展的功能单元逐步集成到片内，外围器件普遍设置有完善的串行扩展接口，如SPI 、I2CBUS、 Microwire 1-wire 等，许多外围器件的串行数据传输速度都能满足应用要求。因此单片机应用系统中需要扩展的外围器件几乎都可以采用串行扩展方式，采用串行扩展可以大大简化应用系统设计，增加系统的可靠性。上述都是近年来8 位机发展的现状与趋势，除此而外8 位机的网络Internet 接入技术、USB 接口技术等也开始成为热门。8 位单片机正朝着高水平微控制器乃至SOC 迈进。3 8 位MCU 的巨大发展空间8位单片机虽属嵌入式系统低端，但其技术水平不低许多先进的嵌入式系统电路技术，如Flash ROM、数字/模拟混合集成、复杂的时钟系统、I/O 端口用户配置等都是首先在8 位单片机中实现的。3 1 嵌入式系统中的“8 位机现象”：在现代计算机技术日新月异的年代，嵌入式系统中却存在一个怪异的8 位机现象，即8 位单片机诞生近30 年，过去是现在是未来可预见的时期里都是嵌入式应用的主流机型这是由于：1 嵌入式系统低端应用有庞大市场，即原有庞大的传统电子系统的智能化需求，这些传统电子系统数量极大，8 位单位机完全能满足其智能化要求。2 嵌入式系统低端应用的有限响应要求，在自动化工业控制、仪器仪表等工控领域与嵌入式系统相关的都是物理参数的采集处理、机电系统控制、人机交互等，这些操作对计算机的响应速度要求有限，8 位单片机运行速度完全能满足要求。3 8位单片机本身不断提升其综合性能，能满足电子系统智能化不断提出的新要求，可以看出目前8 位机仍呈繁荣之势，甚至仍有不少新兴公司在最古化的MCS-51 基础上发展出最新的80C51 兼容型单片机。3 2 8 位单片机未来的发展空间：由于低端应用的需求，8 位机本身的技术提升8 位单片机在未来的嵌入式系统应用中仍有巨大的发展空间，8 位机将：1 牢固地占据庞大的低端应用市场；2 与32 位机挤占16 位机的市场；3 向SOC 的发展前景，从实用意义上，讲8 位单片机的专用集成电路是最早实现的片上系统，由于8 位单片机应用系统规模较小，很容易实现系统的单片集成，除了专用集成电路外，8 位单片机还会以模拟数字混合方式推动通用型SOC 的发展，8 位单片机还将作为微处理器核以IP 核的方式进入基于IP的微电子SOC 设计应用。4 为PLD 向PSOC 发展提供8 位微处理器内核：以PLD 为基础的SOC 设计，已向IP核+PLD 的方向发展，成熟的8 位单片机会广泛用作PSOC SOPC 中处理器内核。4 结束语：1 8 位单片机在嵌入式系统应用中有广泛的稳定的牢固的市场。2 近年来8 位单片机技术有很大发展，这些技术的发展巩固了8 位单片机在嵌入式系统中的重要地位。3 嵌入式系统应用中有客观存在的高低端现象，高低端应用中具有不同的特征，这对全面了解嵌入式系统世界的未来发展大有好处。4 嵌入式系统应用带有计算机工程应用特征，对于长期从事低端单片机应用的人员来说，应不断了解与学习这些计算机工程方法，以提高低端单片机开发水平。5 8 位MCU 向SOC 时代发展时除了MCU 本身的技术水平提高外，在开发环境系统构成、应用模式等都有很大变化，单片机从业人员要适应这些变化。参考文献1 何立民从Cygnal C8051F 看8 位单片机发展之路 单片机与嵌入式系统应用2002 年第5期2002 年6 月29 日为杂志撰稿附录3 嵌入式系统的定义与发展历史（第四篇）北京航空航天大学何立民内容摘要：嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路，给嵌入式系统寻求科学的定义必须了解嵌入式系统的发展历史，按照历史性本质性普遍通用性来定义嵌入式系统，并把定义与特点相区分，由于嵌入式系统应用中对象系统的广泛性与单片机的独主发展道路，嵌入式系统应用在客观上存在两种模式，从学科建设上可统一成嵌入式系统应用的高低端。关链词： 嵌入式系统发展史 嵌入式系统定义 应用模式 高低端应用目前在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。许多人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统，也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，堆砌了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。更有甚者，把嵌入式设备当作嵌入式系统，挖去了嵌入式系统的嵌入性本质，因此有必要从现代计算的发展历史了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统的准确定义。1.现代计算机的技术发展史：(1)始于微型机时代的嵌入式应用：电子数字计算机诞生于1946 年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中实现数值计算的大型昂贵设备。直到20 世纪70 年代微处理的出现，计算机才出现了历史性的变化，以微处理为核心的微型计算机，以其小型价廉高可靠性特点迅速走出机房，基于高速数值解算能力的微型机表现出的智能化水平，引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如将微型计算机经电气加固、机械加固并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能，为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中实现对象体系智能化控制的计算机称作嵌入式计算机系统，因此嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的“嵌入性”本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。(2)现代计算机技术的两大分支由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此它有与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速海量的数值计算技术，发展方向则是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力，技术发展方向则是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。早期人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装在大型设备中，实现“嵌入式应用”，然而对于众多的对象系统，如家用电器、仪器仪表、工控单元，无法嵌入通用计算机系统。况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。因此必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。如果说微型机的出现使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展的时代，从而导致20 世纪末计算机的高速发展时期。(3) 两大分支发展的里程碑事件通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20 世纪末21 世纪初计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求。通用微处理器迅速从286/ 386/486，到奔腾系列，操作系统则迅速扩张，计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。嵌入式计算机系统，则走上了一条完全不同的道路。这条独立发展的道路就是单芯片化道路，它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑的意义，在于它不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。2. 嵌入式系统的定义与特点如果我们了解了嵌入式计算机系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地本质地普遍适用地定义嵌入式系统：(1) 嵌入式系统的定义：按照历史性本质性普遍性要求，嵌入式系统应定义为嵌入到对象体系中的专用计算机系统，嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。(2) 嵌入式系统的特点：嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与嵌入性的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境、小型电气及运行环境、可靠性、成本价廉等要求的特点。与专用性的相关特点：软硬件的裁剪性、满足对象要求的最小软硬件配置等。与计算机系统的相关特点：嵌入式系统必须是能