嵌入式系统定义探讨

　　随着现代化技术的飞速发展，嵌入式系统已深入到社会的各个领域，嵌入式系统的产品已应用到人们的日常生活的各个角落，嵌入式系统技术已成为目前人们研究的热门之一。但是，什么是嵌入式系统？大家却众说不一，至今没有统一的定论，为此我们有必要加以探讨，使嵌入式系统沿着健康的道路发展。

1  什么是嵌入式系统

对于不懂这方面知识的人来说，嵌入式系统这个词可能显得比较深奥，其实嵌入式系统和普通人的生活联系非常紧密。手机、U盘你一定很熟悉吧，它就是典型的嵌入式系统；MP3、MP4、微波炉、有线电视机顶盒，你一定不陌生，它也是嵌入式系统；汽车、ATM自动取款机、电梯等等都属于嵌入式系统。以上仅从应用方面感性的认识嵌入式系统，但它并不是嵌入式系统的真正含义。

那么嵌入式系统真正的含义是什么？现在国内流行的说法是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。”[13]对于这个定义，我有两点疑义：其一，说嵌入式系统“以计算机技术为基础”，我认为不全面，它忽略了微电子等技术作为嵌入式系统基础的重要作用;其二，把嵌入式系统定义为“专用计算机系统”，我认为不正确，它混淆了嵌入式系统与计算机系统的区别。何立民老师说得好：“嵌入式系统不是专用计算机系统”［4］，嵌入式系统是一个智能化的控制系统。

为什么嵌入式系统不是“专用计算机系统”，不只是“以计算机技术为基础”？如何定义嵌入式系统?我们从以下几方面分析探讨。

2  嵌入式系统不是“专用计算机系统”

“专用计算机系统”这个名词应该和“通用计算机系统”这个名词相对应。从字义上看，不管是“专用”或者是“通用”，它们都没有脱离计算机系统这个范畴，应该说它们都归属计算机系统。既然是计算机系统，那它们的发展起源应该是计算机。它们的体系结构、功能特点，知识体系、技术要求应该有相同之处。但是，事实上嵌入式系统和计算机系统虽有联系，可在以上提及的几点上并没有多少相同之处，又何谈它是“专用计算机系统”。

2.1  发展并行独立

嵌入式系统独立发展至今约30年了。它与计算机系统是两个独立的发展系统，从它们的起源看，二者都源于半导体集成电路，诞生于微型计算机时代，二者发展并行独立。［5］如图1所示。


图1

嵌入式系统起源于半导体集成电路，该半导体集成电路分为晶体管和集成电路。20世纪70年代，集成电路产生了微处理器，微处理器是智能内核，它有两个功能，其一是运算处理功能，即高速海量的解算能力，它促使了计算机独立的飞速发展至今；其二是控制功能，嵌入式系统属控制功能，控制功能产生了微控制器，俗称单片机，它促使了嵌入式系统的独立发展至今。

20世纪70年代，微处理器的控制功能引起了控制专业人士研究兴趣，他们将微机嵌入到对象体系内，经过电气、机械加固，并配置各种外围接口，从而实现了对对象体系的智能化控制。这样此微机便失去了原来的形态和微型计算机功能，嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)由此而得名。由于嵌入式系统要求嵌入到对象器件内，体积要特小，功能要可靠，成本还要低，而计算机无法承担起对对象系统的智能化控制任务，所以嵌入式系统则走上了自己独立发展的单芯片化的道路。

微控制器也就是传统意义上的单片机。它的特点是体积小、结构简单、便于开发以及价格经济。它可以说是目前嵌入式系统的前身。单片机就是把对象所需要的主要功能集成到了一个芯片上，通常一个单片机芯片包含了运算处理单元、ARM、Flash存储器以及一些外部接口等。通过外部接口可以输出或者输入信号，控制相应的设备，用户可以把编写好的代码烧写到单片机芯片内部来控制外部设备。单片机常被用在智能仪器、工业测量、办公自动化方面。如数字电表、公交IC刷卡系统、打印机等，内部都有单片机存在。

我们由嵌入式系统发展起源的历史看，嵌入式系统起源于半导体集成电路，它不是起源于计算机，所以它不是“专用计算机系统”，它是专用的智能化的控制系统。将嵌入式系统定义为“专用计算机系统”，不符合历史，混淆了二者的本质区别，因此不可取。
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2.2  技术发展方向不同

嵌入式系统顾名思义，是要嵌入到对象体系中，与对象系统有机地结合，实现的是对对象系统的智能化控制。它有着与计算机完全不同的技术要求、技术发展方向。

嵌入式系统从形式上，要求该系统智能化、超小型；从功能上，要求功能可靠、功耗低、经济实惠；从应用的范围上，要面向市场、面向用户、面向对象、面向产品；从技术上，要求提高对对象的智能化控制能力、与对象密切相关的嵌入性能和控制的可靠性。

计算机系统从形式上，是要看得见、摸得着，不需要嵌入到别的器件内；从功能上，要求多处理功能；从技术上，要求的是高速海量的数值计算、总线速度的无限提升、存储容量的不断扩大。

所以我们说：嵌入式系统与计算机系统，技术要求、技术发展方向根本不同，不应定义为“专用计算机系统”。如果定义为“专用计算机系统”，就等于嵌入式系统的发展，要沿着计算机技术要求的发展道路走，这就等于束缚了嵌入式系统健康开放式的独立发展之路。

2.3  体系结构不同

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用程序4个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视和管理等功能。

嵌入式系统的经典体系结构有3个层次的软硬件，有4个通道接口，它的通道接口是为了嵌入到对象体系去，和对象体系产生4个界面。它的核心是嵌入式微处理器，这个处理器不是通用的计算机处理器。也就是说，二者采用的处理器是截然不同的。嵌入式外围功能扩展之后，形成了微控制器，其对象接口技术扩展，产生4个接口，形成了SoC整个片上结构，4个中断。其软件分为：指令系统、驱动软件、操作系统3部分。

我们从嵌入式系统体系结构看出：

① 二者的处理器不同。计算机是通用的处理器，嵌入式系统是面向特定应用的微处理器，它具有低功耗、体积小、集成度高等特点，有利于整个系统设计趋于小型化。

② 计算机是标准总线和外设，嵌入式总线和外部接口都集成在处理器内；计算机软硬件相对独立，嵌入式系统则是将软硬件紧密集成在一起，结构更紧凑；计算机系统偏重多功能处理设置，嵌入式系统重在对对象的控制能力设置。

所以说，嵌入式体系结构与计算机的体系结构是不同的。嵌入式系统体系结构是控制性的体系结构，不是计算机系统的处理型体系结构。结构不同，则性质全非，所以，嵌入式系统不能定义为“专用计算机系统”。

2.4  功能特点各异

① 嵌入式系统具有嵌入性、控制性，软硬件可根据对象需要来设置。计算机系统则不是这样。

② 嵌入式系统功能专一，即软硬件专门为某一特定应用系统而设计；计算机系统则是多功能处理。

③ 嵌入式系统结构紧凑：嵌入式系统中的软件一般不像计算机存储于磁盘等载体中，而都固化在存储器芯片或单片系统的存储器之中，这样使其结构特别紧凑，从而达到小体积、高效能、低成本、低功耗。计算机结构要求可大可小，大到台式，小到笔记本、手提电脑等；计算机的CPU要求严格，相比嵌入式系统的微处理器，一般价格昂贵，达不到嵌入式系统那样低成本、低功耗。嵌入式系统通常使用闪存（Flash Memory）等作为存储介质，以提高速度、减小体积、降低功耗。而计算机通常使用磁盘这类具有大容量但速度较慢的存储介质。

④ 嵌入式系统智能灵活及实时性：就是要对不同的情况作出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制，计算机在智能灵活性方面则比不上。

⑤ 嵌入式系统可靠性高，因为软件是固化的。例如，它无病毒侵害。计算机则不然，常常受病毒的攻击。所以嵌入式系统常常应用在人身设备安全、国家机密等重大事务上。

⑥ 计算机行业一般受技术垄断，例如计算机操作系统方面微软占居垄断地位。但嵌入式系统领域，不会出现这种情况。因为它是一个分散的，充满竞争、机遇与创新的领域，没有谁的操作系统和处理器能够垄断市场。

总而言之，嵌入式系统与计算机系统功能特点各异，二者不能混为一谈。
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3  嵌入式系统不只以“计算机技术为基础”

嵌入式系统知识体系具有广泛性。它与微电子学科技术、计算机学科技术、电子学科技术与对象学科技术都密切相关。计算机技术在嵌入式系统中，承担着应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工作方法、编程语言、程序设计方法等内容，它是构建嵌入式系统平台的重要基础之一，但并不是唯一。嵌入式系统还需要其他的技术支持。

微电子技术为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术提供电路设计技术。它将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成，为计算机技术提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；对象学科技术是嵌入式系统的最终用户的技术学科。对象学科几乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。对象学科要在嵌入式系统平台上构建本领域的一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是对象学科的基础理论与应用环境、应用要求。同时，在应用中要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式系统提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。在对象学科中，广大的应用工程师在嵌入式软硬件平台上实现最广泛的应用。图2将嵌入式系统独立的知识技术体系归类。[6]

图2

从图2中可以看到，嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、微电子技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物,是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。它以微电子学科、计算机学科、电子技术学科为构建平台基础，以对象学科技术为平台应用，并且各学科技术又相互联系、相互支持。嵌入式系统包容各家技术之长，吸取各专业之精华，形成自己独特的知识技术体系。

从以上分析可以看出，把嵌入式系统定义为“以计算机技术为基础”，缩小了嵌入式系统的外延范围，否定了各学科技术在嵌入式系统中的综合应用作用，不全面，带有一定的局限性，不利于嵌入式系统独特的学科体系建立。

4  总结

我们从嵌入式的发展起源、结构体系、功能特点、知识技术体系等方面，对嵌入式系统的定义进行了探讨分析，否定了嵌入式系统是“专用计算机系统”，及嵌入式系统是“以计算机技术为基础”的说法，发现嵌入式系统定义确实需要完善。我支持何立民教授的意见，将嵌入式系统定义完善为“嵌入式系统是以嵌入式微处理器为内核，以微电子技术、计算机技术、电子技术、对象技术为基础，软硬件可根据对象需要所设置，并且嵌入到对象器件内，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用智能化的控制系统。”［5］这样使嵌入式系统不再受计算机系统的束缚，嵌入式系统能建立自己独立的学科体系，高校嵌入式系统教学走向独立正规化，嵌入式系统能独立健康地发展。