北京航空航天大學(xué)　何立民

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從現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視角看嵌入式系統(tǒng)(4)

——嵌入式系統(tǒng)40年發(fā)展史

北京航空航天大學(xué)何立民

從Intel公司1976年的MCS-48誕生算起，微控制器已有40年的發(fā)展史。微控制器是微處理器應(yīng)智能化控制需求演化出來(lái)的一個(gè)分支，突出了它的控制功能，應(yīng)稱之為微控制器(MCU)。微控制器具有單芯片形態(tài)、嵌入式應(yīng)用方式，歷史上曾廣泛稱它為單片機(jī)，現(xiàn)在，許多人都稱它為嵌入式系統(tǒng)。

1　Intel的歷史功績(jī)

Intel公司1971推出的第1個(gè)微處理器4004雖然沒(méi)有實(shí)用化，卻是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展史的里程碑事件。如果說(shuō)圖靈機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的第1個(gè)里程碑事件，那么，微處理器誕生便是第2個(gè)里程碑事件。圖靈機(jī)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的思想理論基礎(chǔ)，微處理器實(shí)現(xiàn)了圖靈機(jī)人工智力內(nèi)核的夢(mèng)想,其后便是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)40年飛速發(fā)展的時(shí)代。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的第3個(gè)里程碑事件，是Intel公司對(duì)通用微處理器與嵌入式處理器的探索。Intel是同時(shí)從事通用微處理器與嵌入式處理器探索并取得成功的公司。其在通用微處理器領(lǐng)域的貢獻(xiàn)眾所周知，在嵌入式處理器領(lǐng)域，雖然許多公司推出眾多微控制器產(chǎn)品，但只有Intel公司的MCS-51成為微控制器的經(jīng)典體系，影響至今。

Intel公司最后一個(gè)仍可稱之為里程碑事件的行為，是MCS-51的開(kāi)放與割舍。有人為Intel公司對(duì)MCS-51的割舍感到惋息，實(shí)際上這卻是Intel公司的英明之舉。事實(shí)證明，在放棄MCS-51后，Intel公司在通用微處理器領(lǐng)域迅速取得成功，并壟斷了全球的PC機(jī)市場(chǎng)。

從圖靈機(jī)到微處理器，從微處理器到通用處理器與嵌入式處理器兩大分支，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)有其自身的發(fā)展規(guī)律。從圖靈機(jī)到電子計(jì)算機(jī)，完成了圖靈機(jī)的理論探索，微處理器誕生后才找到實(shí)用化的理想道路。微處理器誕生后，迅速形成兩大分支的發(fā)展態(tài)勢(shì)，使現(xiàn)代計(jì)算機(jī)開(kāi)始了蓬勃的發(fā)展道路。如果Intel公司當(dāng)年不放棄MCS-51，專注于通用微處理器，也許無(wú)法擊退競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手AMD，MCS-51也不會(huì)迅速成長(zhǎng)為80C51公共主流系列。Intel的貢獻(xiàn)使人類社會(huì)受益。

2　嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史

嵌入式系統(tǒng)這一詞語(yǔ)被頻繁使用還是20世紀(jì)90年代的事。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史應(yīng)從微控制器誕生講起，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)主要是微控制器系統(tǒng)。

除了智慧、內(nèi)核、集群等基本特點(diǎn)外，微控制器還有單機(jī)形態(tài)、嵌入方式、對(duì)物理對(duì)象的感知與控制等應(yīng)用上的特點(diǎn)。了解這些特點(diǎn)有助于理解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史。

從應(yīng)用的視角，可以用粗略的線條將40年微控制器的發(fā)展史劃分為3個(gè)大的時(shí)代，即單片機(jī)時(shí)代、嵌入式系統(tǒng)時(shí)代、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

2.1單片機(jī)時(shí)代

在微控制器誕生后最初的20年，是微控制器的單片機(jī)時(shí)代。微控制器誕生后，迅速進(jìn)入電子技術(shù)領(lǐng)域，成為傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造的利器。電子工程師是微控制器應(yīng)用的主流群體，他們習(xí)慣性地將微控制器看成是單個(gè)芯片的智能器件，稱之為單片機(jī)(單片微控制器或單片微型計(jì)算機(jī))。事實(shí)上，在傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造中，所有單片機(jī)都體現(xiàn)為嵌入式應(yīng)用。這一時(shí)期，由于電子工程師單打獨(dú)斗，缺乏計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)與計(jì)算機(jī)工程方法，微控制器也較原始，工程師應(yīng)用開(kāi)發(fā)水平不高，主要是匯編級(jí)的軟件編程，很少使用操作系統(tǒng)。

2.2嵌入式系統(tǒng)時(shí)代

從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，微控制器應(yīng)用進(jìn)入到嵌入式系統(tǒng)時(shí)代。隨著傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造日漸火爆，眾多計(jì)算機(jī)界人士開(kāi)始介入單片機(jī)領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)人士的不斷增多，高級(jí)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、計(jì)算機(jī)工程方法逐漸普及。計(jì)算機(jī)界人士不習(xí)慣“單片機(jī)”稱謂，更愿意使用嵌入式系統(tǒng)一詞，致使“嵌入式系統(tǒng)”稱謂流行至今，可以看出，嵌入式系統(tǒng)時(shí)代是電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)交叉融合的發(fā)展時(shí)代。此后，人們習(xí)慣性地將微控制器系統(tǒng)稱作嵌入式系統(tǒng)，有些業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為“單片機(jī)”片面突出單片形態(tài)，“嵌入式系統(tǒng)”片面突出嵌入式應(yīng)用，建議改名為智能電子系統(tǒng)，但智能系統(tǒng)又易于與產(chǎn)品系統(tǒng)混淆。

2.3物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代

在經(jīng)歷了20年的單片機(jī)時(shí)代、近15年的嵌入式系統(tǒng)時(shí)代后，微控制器及其應(yīng)用技術(shù)日趨成熟。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了單機(jī)物聯(lián)、分布式物聯(lián)、總線物聯(lián)、局域物聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)到物聯(lián)網(wǎng)后，嵌入式系統(tǒng)便從以往的獨(dú)立產(chǎn)業(yè)進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)成為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等大科技中的一個(gè)成員。

3　Intel對(duì)微控制器的貢獻(xiàn)

微控制器與通用計(jì)算機(jī)都源于微處理器，但它們的體系結(jié)構(gòu)和演化道路卻截然不同。通用計(jì)算機(jī)完全在通用微處理器的演化道路上前行；微控制器則經(jīng)歷了探索、完善、百花齊放、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型4個(gè)發(fā)展階段。與此同時(shí)出現(xiàn)了微控制器(Microcontroller Unit)、嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)的演化歷程。

3.1微控制器的探索

最早的微控制器探索，應(yīng)該是1974年仙童半導(dǎo)體公司的F8系列。F8并非單片形態(tài)，它是由8位CPU與3851(1 KB ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和兩個(gè)并行I/O口)兩個(gè)芯片構(gòu)成，確立了微控制器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)。由于此時(shí)的仙童公司處于低谷時(shí)期，F(xiàn)8系列沒(méi)有得到進(jìn)一步完善。

其后，眾多的半導(dǎo)體廠家開(kāi)始了微控制器的探索,其主導(dǎo)思想是單芯片的內(nèi)核化探索，即在微處理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出用于智能化控制的單芯片計(jì)算機(jī)。這一時(shí)期出現(xiàn)了兩種不同的探索道路，即與通用微處理器兼容的嵌入式微處理器和獨(dú)創(chuàng)的單片微控制器。

與通用微處理兼容的嵌入式微處理器的典型代表是1978年Motorola公司推出的6801系列。6801與通用微處理器MC6800兼容，它將MC6800系列的6800(CPU)+6875時(shí)鐘+6810(128 B RAM)+2×6830(1 KB ROM)+1/2并行I/O 口6821+1/3(定時(shí)/計(jì)數(shù)器)+6805(串行I/O口)整合成一個(gè)可以用于控制的單芯片微型計(jì)算機(jī)。

1976年，富有創(chuàng)造精神的Intel公司獨(dú)辟蹊徑，開(kāi)始了全新體系結(jié)構(gòu)的單芯片微控制器的探索，推出了MCS-48系列。在獲得成功后，迅速完善到MCS-51，使其成為微控制器的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。

3.2微控制器完善至經(jīng)典體系

在探索階段，仙童公司的F8后繼無(wú)力，Motorola公司的6801系列并不理想，具有全新微控制器體系結(jié)構(gòu)的MCS-48獲得成功后迅速完善到MCS-51，確立了用于智能化控制的單芯片專用體系結(jié)構(gòu)。在這個(gè)專用體系結(jié)構(gòu)中，采用了數(shù)據(jù)空間與程序空間獨(dú)立的哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)保證了被固化的軟件不受病毒侵襲；完善了總線結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部16位尋址的兩個(gè)獨(dú)立空間的8位并行總線，以及用于外部通信的串行通信總線、用于外部擴(kuò)展的并行總線、用于外部交互的I/O端口；完善了用于控制的指令系統(tǒng)，突出了控制功能，增加了位操作指令；所有功能單元，包括后續(xù)可能擴(kuò)展的功能單元，采取了特殊功能寄存器SFR的集中管理模式，方便了微控制器外部系統(tǒng)配置與系統(tǒng)擴(kuò)展的應(yīng)用要求。

圖1描述了MCS-51微控制器系統(tǒng)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。

圖1　MCS-51微控制器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

微控制器是在嵌入式微處理器基礎(chǔ)上，在內(nèi)部總線支持下，通過(guò)外圍功能單元擴(kuò)展而成，SoC化是其主要發(fā)展趨勢(shì)。微控制器有4個(gè)與外部交互的接口通道：前向通道、后向通道與物理對(duì)象相連，是物理對(duì)象感知與控制的交互接口；交互通道，是實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互的接口；信息通道，是與其他應(yīng)用系統(tǒng)交互的通信接口，用于實(shí)現(xiàn)微控制器的多機(jī)通信。

3.3完善了微控制器的應(yīng)用環(huán)境

MCS-51問(wèn)世后，不僅為用戶提供了完善的體系結(jié)構(gòu)，而且還提供了完善的應(yīng)用環(huán)境。Intel為用戶提供的應(yīng)用環(huán)境有：滿足不同應(yīng)用的3種供應(yīng)狀態(tài)，即程序指令的掩膜狀態(tài)、ROM燒寫(xiě)狀態(tài)與EPROM燒寫(xiě)狀態(tài)；用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的ICE在線仿真器(ICE-51)；用于匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的宏匯編ASM-51；用于用戶程序管理的實(shí)時(shí)任務(wù)操作系統(tǒng)iRMX-51。另外，為適應(yīng)分布式多機(jī)系統(tǒng)通信需要，還衍生出具有位總線(BIT BUS)的RUPI-44系列(8051+串行通信接口單元，支持HDLC/SDLC協(xié)議)微控制器。

這些優(yōu)異的應(yīng)用環(huán)境使電子工程師們能迅速?gòu)膫鹘y(tǒng)電子系統(tǒng)時(shí)代邁進(jìn)智能電子時(shí)代。

4　微控制器的進(jìn)化歷程

Intel公司在完善了MCS-51后，錯(cuò)誤地認(rèn)為應(yīng)該向16位微控制器進(jìn)軍，便和著名的電器商Philips公司合作，探索16位微控制器。由于理念上的差異，導(dǎo)致兩者分道揚(yáng)鑣。Intel公司推出了16位微控制器MCS-96；Philips公司為滿足智能化電器產(chǎn)品的應(yīng)用需求，著力于提高M(jìn)CS-51應(yīng)用水平。分手后，Intel公司同意向Philips公司免費(fèi)開(kāi)放MCS-51，受免費(fèi)開(kāi)放政策影響，眾多半導(dǎo)體公司參與到MCS-51體系結(jié)構(gòu)深度開(kāi)發(fā)中，將MCS-51推進(jìn)到眾多半導(dǎo)體公司參與開(kāi)發(fā)的80C51時(shí)代。

80C51時(shí)代中有幾件值得提及的大事件，即Philips等公司大力提升微控制器功能，Atmel公司將微控制器推進(jìn)至Flash ROM時(shí)代，以及20世紀(jì)末Cygnal公司對(duì)80C51脫胎換骨的改造。

4.1半導(dǎo)體廠家大力提升微控制器功能

半導(dǎo)體廠家在推動(dòng)80C51不斷進(jìn)化中，主要完成的重大工作有：滿足嵌入式應(yīng)用要求的眾多外圍功能集成，如WDT、PWM、ADC、高速I(mǎi)/O口、計(jì)數(shù)器捕捉/比較等；滿足系統(tǒng)中芯片擴(kuò)展的串行擴(kuò)展總線，如目前大量使用的Philips公司的I2C總線、Motorola公司的SPI以及Dallas公司的單總線1-Wire總線;滿足微控制器應(yīng)用系統(tǒng)集群的德國(guó)BOSCH公司的CAN總線以及其他現(xiàn)場(chǎng)總線等。

4.2Atmel公司微控制器的Flash ROM時(shí)代

Atmel公司用Flash ROM作為程序存儲(chǔ)器推出的89C51系列，為眾多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一種靈活、高效、價(jià)廉的方案，將80C51推進(jìn)到Flash ROM時(shí)代。

89C51起源于我國(guó)原電子工業(yè)部的北京集成電路設(shè)計(jì)中心，他們?cè)谠O(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)化80C51單片機(jī)后，尋找產(chǎn)業(yè)化合作伙伴時(shí)，Atmel公司主動(dòng)提出將Flash ROM植入國(guó)產(chǎn)的80C51中，并更名為89C51，產(chǎn)權(quán)為雙方共有。在中國(guó)大陸89C51最初的品牌不是AT89C51，而是由北京集成電路設(shè)計(jì)中心冠名。后來(lái)由于經(jīng)營(yíng)不善，北京集成電路設(shè)計(jì)中心放棄了89C51之后，才改名為AT89C51，被Atmel公司獨(dú)有。

4.3Cygnal對(duì)80C51的全面革新

20世紀(jì)末，Cygnal公司對(duì)80C51體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了徹底改造，使之成為頂尖的8位微控制器C8051F系列，使80C51進(jìn)入到又一個(gè)新的輝煌時(shí)代。Cygnal公司對(duì)80C51體系結(jié)構(gòu)的改造有：

① 對(duì)80C51 CPU內(nèi)核實(shí)施改造，實(shí)行指令運(yùn)行的流水作業(yè)，使指令運(yùn)行速度提高到原來(lái)的12倍，成為8位高速微控制器；

② 設(shè)置用戶可配置的交叉開(kāi)關(guān)，使I/O接口從功能固定方式提升至可隨意選擇的功能設(shè)置；

③ 從單一固定系統(tǒng)時(shí)鐘到可編程選擇的時(shí)鐘系統(tǒng)，使微控制器在運(yùn)行過(guò)程中可隨意選擇時(shí)鐘狀態(tài)；

④ 從傳統(tǒng)的仿真調(diào)試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試，并為在系統(tǒng)測(cè)試提供邊界掃描功能；

⑤ 把80C51單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位系統(tǒng)，如上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘檢測(cè)復(fù)位、比較器0復(fù)位、WDT復(fù)位和引腳配置復(fù)位等；

⑥ 有最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳技術(shù)支持，如降低供電電壓(從5 V到3 V)、時(shí)鐘系統(tǒng)可任意選擇、復(fù)位系統(tǒng)可隨意喚醒來(lái)靈活設(shè)置低功耗模式。

4.4從80C51到ARM的產(chǎn)業(yè)變革

21世紀(jì)初，微控制器領(lǐng)域的一個(gè)重大事件是從80C51主流系列到ARM主流系列的變遷。究其原因，除了嵌入式高端需求拉動(dòng)的技術(shù)因素外，產(chǎn)業(yè)變革是一個(gè)重要的內(nèi)在因素。此前，所有從事微控制器的半導(dǎo)體廠家都是實(shí)體產(chǎn)業(yè)公司，都有自己的微控制器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)自己公司的微控制器，從而形成了百花齊放的微控制器產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

而ARM公司一反傳統(tǒng)的微控制器產(chǎn)業(yè)模式，從公司成立之初，便摒棄實(shí)體產(chǎn)業(yè)，專注發(fā)展微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)，即只專注于發(fā)展微處理器技術(shù)，不從事微處理器生產(chǎn)，從而成為雄據(jù)眾多半導(dǎo)體之上的上游產(chǎn)業(yè)。先進(jìn)技術(shù)水平的ARM系列與上游產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)吸引了眾多的半導(dǎo)體廠家，他們紛紛在ARM公司授權(quán)的ARM系列架構(gòu)基礎(chǔ)上生產(chǎn)本公司的微控制器。

ARM系列大量使用后，由于成本下降，不斷侵蝕80C51的原有領(lǐng)域，80C51逐漸失去微控制器應(yīng)用系統(tǒng)的主流地位。

在ARM系列不斷侵蝕80C51原有領(lǐng)域時(shí)，并不代表80C51末日到來(lái)。在無(wú)限大的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，80C51另辟蹊徑，轉(zhuǎn)戰(zhàn)智能器件領(lǐng)域。

今天，智能傳感器、無(wú)線收發(fā)器件領(lǐng)域，已成為80C51的主流陣地。

[1] 蘇偉斌.INTEL八位單位機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀[C]//第三屆全國(guó)單片機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,1990:1.

[2] 梁合慶.單片微機(jī)發(fā)展趨勢(shì)[C]//1996年全國(guó)單片微機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,1996:4.

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(責(zé)任編輯：薛士然2015-10-24)