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嵌入式系统的历史

嵌入式系统的历史

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【摘要】:
现代计算机技术的两大分支电子数字计算机诞生于1946年,在其后漫长的历史进程中,计算机始终是存放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,微处理器的出现,计算机才出现了历史性的变化。将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对对象体系的智能化控制。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。嵌入

1.2嵌入式系统的历史

 

1.现代计算机技术的两大分支

电子数字计算机诞生于1946年,在其后漫长的历史进程中,计算机始终是存放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,微处理器的出现,计算机才出现了历史性的变化。将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对对象体系的智能化控制。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。

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,这是理解嵌入式系统的基本出发点。

嵌入式系统的历史

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,它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。

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、工控单元等),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,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。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时代。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。这两大分支的技术要求和技术发展方向如图1-1所示。

 

技术要求

技术发展方向

通用计算机系统

高速、海量的数值计算

总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大

嵌入式计算机系统

对象的智能化控制能力

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

图1.1两类计算机系统的技术要求和技术发展方向对比

 

通用计算机系统

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80286、80386、80486、奔腾到酷睿系列;操作系统也朝着提高资源

利用率、增强计算机系统性能的方向迅速发展,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

发展目标是单芯片化。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人土,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。

嵌入式系统的历史

因此,现代计算机技术发展的两大分支的意义在于;一是形成了计算机发展的专业化分工;二是将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域;三是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.始于微型机时代的嵌入式应用

嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月, Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起,推出了第一款微处理器 Intel 4004,其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器,包括 Intel 8080/8085、8086, Motorola的6800、68000,以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统,广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场,计算机厂家开始大量的以插件方式向用户提供OEM产品,再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板,从而构成专用的嵌入式计算机系统,并将其嵌入到自己的系统设备中。

从灵活兼容考虑,出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板机有Intel公司的iSBC系列、 Zilog公司的MCB等。后来人们可以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机,只要选择各功能模块,就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购适合的OEM产品,插入外购或自制的机箱中就形成新的系统,这样就希望插件是互相兼容的,也就导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出 Multibus,1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。

20世纪80年代可以说是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺水平的提高,集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D转换、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中,从而制造出面向I/O设计的微控制器,即单片机,成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平,并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。

20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信、信息家电等巨大需求的牵引下嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗方向发展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30,引导着微控制器向32位高速智能化发展。在应用方面,掌上电脑、便携式计算机、机顶盒技术相对成熟,发展也较为迅速。特别是掌上电脑,1997年在美国市场上掌上电脑不过四五个品牌,而1998年年底,各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外,诺基亚(NoKia)推出了智能电话,西门子 ( Siemens)推出了机顶盒,美国慧智(Wyse)推出了智能终端,美国国家半导体公司(NS)推出了WebPad,装载在汽车上的小型计算机,不但可以控制汽车内的各种设备(如音响等),还可以与GPS连接,从而自动操控汽车,21世纪无疑是一个网络的时代,使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向,在发展潜力巨大的“信息家电”中,嵌入式系统与人工智能、模式识别等技术的结合,将开发出各种更具人性化、智能化的实际系统。伴随网络技术、网格计算的发展,以嵌入式移动设备为中心的“无所不在的计算”将成为现实。

纵观嵌入式系统在过去发展的40多年中,主要经历了以下4个阶段。

第1阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足特定的嵌入式应用要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路,将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机就是一个典型的嵌入式系统,这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中,一般没有操作系统的支持,软件通过汇编语言编写。这一阶段系统的主要特点是:系统结构和功能相对单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低,以前在国内工业领域应用较为普遍,但是现在已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。

第2阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是:CPU种类繁多,通用性比较弱;系统开销小,效率高;操作系统达到一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业化,用户界面不够友好

第3阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好;操作系统内核小、效率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理,支持多任务,支持网络应用,具备图形窗口和用户界面:具有大量的应用程序接口和API,开发应用程序较简单;嵌入式应用软件丰富。

第4阶段是以 Internet为标志的嵌入式系统.这是一个正在迅速发展的阶段。目前,大多数嵌入式系统还孤立于 Internet之外,但随着 Internet的发展以及 Intemet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切,嵌入式设备与 Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。