试论嵌入式系统学科的定位与交叉融合

摘要：嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，反应当代最新技术的先进水平。目前，嵌入式技术已经几乎渗透到我们生活中的所有电器设备，并且在未来还有更加广阔的发展空间。文章首先指明了嵌入式系统的概念和组成，然后简要介绍了嵌入式系统的发展历史，接着介绍了嵌入式系统的四个支柱学科及作用，最后阐述了四个支柱学科的定位、交叉融合以及今后学科的发展趋势。

关键词：嵌入式系统；微型计算机；微处理器；智能控制；学科定位；交叉融合

中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01

Discusses the Localization and Overlapping Fusion of the Embedded System Discipline

Zhang Chunhua

(Xi"an Translation College,Xi"an710105,China)

Abstract:The embedded system is the computer technology,the communication,the semiconductor technology,the microelectronic technology and so on vanguard technology and makes concrete unifies after the object the renewal product,the response present age newest technology advanced level.At present,the embedded technology already nearly seeped to us lives all electric appliance equipment,and will also have the broader development opportunities in the future.The article has first indicated embedded system"s concept and the composition,then introduced briefly embedded system"s historical development,then introduced embedded system"s four prop discipline and the function,elaborated four prop discipline localization,the overlapping fusion as well as the next discipline trend of development finally.

Keywords:Embedded system;Microcomputer;Microprocessor;Intelligent control;Discipline localization;Overlapping fusion

目前，嵌入式系统已经渗透到我们生活的每个角落，几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。

嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统是当今非常热门的研究领域，在PC市场已趋于稳定的今天，嵌入式系统市场的发展速度却正在加快。由于嵌入式系统所依托的软硬件技术得到了快速发展，因此嵌入式系统自身获得了快速发展。根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，在21世纪初的10年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10-100倍的商机

一、嵌入式系统的概念和组成部分

根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍认同的对嵌入式系统的定义是：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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统的硬件部分，包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存（Flash Memory）作为存储介质。软件部分包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

二、嵌入式系统的发展历史

（一）嵌入式系统虽然是最近几年才热起来的一个名词，但其发展其实已经有了30多年的历史了。20世纪70年代发展起来的微型计算机，由于体积小、功耗低、结构简单、可靠性高、使用方便、性能价格比高等一系列优点，得到了广泛的应用和迅速的普及。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和机械加固，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，称为嵌入式计算机系统。

（二）尽管嵌入式系统起源于微型机时代，但微型计算机的体积、价位和可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展的道路。这条道路就是单芯片化道路，即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。最早的单片机是1976年Intel公司生产的8048，它的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用８位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

（三）上世纪80年代，随着数字信号处理芯片（DSP）和集成电路技术的发展，微处理器的处理速度越来越快。90年代以后，TI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，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年底，各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外，Nokia推出了智能电话，西门子推出了机顶盒，Wyse推出了智能终端，NS推出了WebPAD。21世纪以来，嵌入式系统更被广泛运用到各个领域中，获得了空前的发展。

三、嵌入式系统的四个支柱学科

尽管嵌入式系统在当前各个领域都有重要的应用，但嵌入式系统至今也没有形成一个独立的学科体系。当前，嵌入式系统主要是四个支柱学科的交叉与融合，并以平台模式进行学科定位与分工。这四个支柱学科分别是微电子学科、计算机学科、电子技术学科和对象学科。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科，计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。

（一）微电子学科。微电子学科为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术学科、计算机学科的许多重要成果，最终都会体现在集成电路中，从早期的数字电路集成，到如今的模数混合、软／硬件结合、以IP为基础的知识与知识行为集成，所以，微电子学科的发展在嵌入式系统学科中具有领军作用，任何微电子技术领域的新突破都将被快速应用到嵌入式系统中来。

（二）计算机学科。在嵌入式系统中，计算机学科主要担当着嵌入式系统应用平台的构建作用。它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工程方法、编程语言、程序设计方法等内容。

（三）电子技术学科。电子技术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；为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；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。因此，可以说，在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最广泛的技术服务。

（四）对象学科。嵌入式系统最终要作为智能控制器应用在相关的设备中，如何做好嵌入式系统与这些设备的完美对接，如何在嵌入式系统上构建本领域的一个嵌入式应用系统，是这些具体应用对象学科的一个研究命题。嵌入式系统的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。嵌入式应用系统的技术基础是本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、嵌入式计算机学科提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。

四、嵌入式系统四个支柱学科的交叉与融合

由于嵌入式系统有横跨四个支柱学科的特点，因此，每个学科在嵌入式系统中都会体现出自身的特性和不足，因此，嵌入式系统中有一个学科定位与交叉融合问题。“学科定位”体现在嵌入式系统中，如何发挥每个学科的自身优势，在与其他学科共存的前提下，如何有效地介入嵌入式系统的发展；“交叉融合”指在学科定位的基础上，每个支柱学科都要不断了解其他学科对嵌入式系统的技术发展要求，以便为嵌入式系统构筑最佳的知识平台，实现最佳的嵌入式系统应用。

由于嵌入式系统各支柱学科间的交叉与融合，因此，在建设每个学科的的过程中，都需要吸纳其他学科的研究人员来共同组成以该学科为主导的集体研发队伍。例如近年来，在微电子集成电路设计领域，不少企业吸收了一些电子技术学科和嵌入式应用系统设计人才；在高等学校计算机学院设立嵌入式系统专业时，引进了许多对象领域中的嵌入式系统的应用型人才。

嵌入式系统中四个支柱学科的定位，除了学科知识结构的定位外，还要体现出在知识平台模式中的定位。这种平台模式的定位，不是一个各自独立的“1+1+1+1”的简单加法型定位，而是一种基于微电子学科、计算机学科、电子技术学科为嵌入式应用构筑各种类型的应用平台，不介入嵌入式系统的具体应用的“3+1”的定位。对象学科作为这个模式中的“1”是作为嵌入式系统应用平台基础上，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用的。因此，它不作为介入嵌入式系统的平台构建过程。例如，就嵌入式操作系统而言，操作系统的构建应该定位在计算机学科领域，但是要构建一个优秀的嵌入式操作系统，必须了解嵌入式的应用特点与应用环境，同时能够预见未来的MCU芯片中的固件化趋势；在对象领域中，把操作系统视为工具，只须了解操作系统性能与应用界面；微电子技术专家要了解嵌入式操作系统与应用软件特点，以便芯片技术到达一定阶段后，纳入集成电路设计中。

总之，嵌入式系统在当前的广泛应用，决定了嵌入式系统的研究和发展有着巨大价值，不论是嵌入式系统平台构建还是嵌入式系统平台应用，都有无限广阔的发展空间。在今后嵌入式系统的发展过程中，最关键的一点是处理好四个支柱学科的“定位”与“分工”，明确各个学科的“交叉”与“融合”。如果在今后的发展过程中，四个支柱学科各行其是，排斥其他学科领域的发现和建树，就将严重阻碍嵌入式系统的发展。因此，四个支柱学科只有在把握度的原则下做好交叉与融合，才能最大效用地推动嵌入式系统的发展，而这四个支柱学科的不断交叉与融合，也必然会在不久的将来催生一门独立的嵌入式系统学科体系来。

参考文献：

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