物聯(lián)網(wǎng)概述第4篇：物聯(lián)網(wǎng)時代嵌入式系統(tǒng)的華麗轉(zhuǎn)身

何立民

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

物聯(lián)網(wǎng)概念誕生后，出現(xiàn)了一個外人難以理解的“怪現(xiàn)象”：幾乎一夜之間，高校中便有了幾十個物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，原有的嵌入式系統(tǒng)實驗室、單片機實驗室改成了物聯(lián)網(wǎng)實驗室，多年不變的智能家居變成了物聯(lián)網(wǎng)家居。內(nèi)行人則清楚地認識到，這不過是嵌入式系統(tǒng)的華麗轉(zhuǎn)身。

1 嵌入式系統(tǒng)的歷史誤會

PC機誕生后，微型計算機領(lǐng)域中出現(xiàn)了數(shù)值計算與嵌入式控制兩種應(yīng)用要求。計算機界為了區(qū)別兩種不同應(yīng)用要求的計算機，將用于數(shù)值計算的桌面計算機稱為通用計算機系統(tǒng)；將滿足嵌入式控制應(yīng)用要求的控制型計算機稱為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。后來，由于微型計算機無法滿足嵌入式控制要求，便中止了嵌入式計算機系統(tǒng)的探索。

與此同時，人們發(fā)現(xiàn)，早在PC機誕生前，在微處理器的基礎(chǔ)上就已經(jīng)誕生了專門滿足嵌入式控制應(yīng)用要求的微控制器，并開始了長達20年的單片機時代，從而造成早期嵌入式系統(tǒng)與單片機的歷史誤會。到了20世紀末，大量計算機界人士進入嵌入式控制領(lǐng)域，將實現(xiàn)嵌入式控制應(yīng)用的微控制器稱作“嵌入式系統(tǒng)”，從而形成了如今微控制器應(yīng)用中，“單片機”與“嵌入式系統(tǒng)”概念并存的局面。

1.1 微處理器不可兼容的兩大任務(wù)

大約在1940～1942年間，在導(dǎo)彈研制的過程中，急需一種能迅速計算與控制的工具，以便對導(dǎo)彈的飛行軌跡進行控制，在它偏離人所預(yù)測的軌道時，把它拉回到軌道上來。這樣就產(chǎn)生了要在0.1s或0.01s內(nèi)計算出導(dǎo)彈運行軌跡與預(yù)定軌道的偏差，并進行控制的電子計算機。由此，人們給計算機賦予數(shù)值計算與嵌入式控制應(yīng)用的雙重任務(wù)。

微處理器誕生后，微處理器基礎(chǔ)上的現(xiàn)代計算機有了足夠的數(shù)值計算能力和對對象系統(tǒng)快捷的實時控制能力。但隨后人們發(fā)現(xiàn)“數(shù)值計算”與“對象系統(tǒng)實時控制”是兩個無法兼容的技術(shù)發(fā)展道路與應(yīng)用環(huán)境。前者要求有一個具有高速海量數(shù)值計算能力的通用計算機系統(tǒng)，后者則要求有一個可以嵌入到對象體系中與對象體系緊耦合、實現(xiàn)對象系統(tǒng)實時控制的高可靠的嵌入式計算機系統(tǒng)。

1.2 單片機的獨立發(fā)展道路

由于歷史的誤會，早在PC機誕生前，便開始了微處理器基礎(chǔ)之上嵌入式應(yīng)用的單片機道路探索，并取得成功；PC機誕生后，又開始了微型機的嵌入式應(yīng)用探索，卻遭遇失敗。由此證明，微處理器基礎(chǔ)上的嵌入式應(yīng)用必須走單片微控制器（單片機）的獨立發(fā)展道路。

單片微控制器的獨立發(fā)展道路始于1974年誕生的第2代微處理器8088。最初，8080是代替電子邏輯電路器件用于各種應(yīng)用電路和設(shè)備上，帶有原始的嵌入式應(yīng)用印記。其后出現(xiàn)了一批嵌入式應(yīng)用的單片機，其中最典型的是1976年Intel公司推出的MCS－48單片機。1980年，在MCS－48單片機的基礎(chǔ)上完善的MCS－51單片機成為微控制器的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。其后便開始了20年單片機的獨立發(fā)展道路。

嵌入式應(yīng)用必須走單片機的獨立發(fā)展道路，是因為微處理無法同時承擔數(shù)值計算與嵌入式控制應(yīng)用兩大任務(wù)，致使微處理器出現(xiàn)兩大分支。通用處理器基礎(chǔ)上的計算機從事數(shù)值計算，嵌入式處理器基礎(chǔ)上的單片機從事嵌入式應(yīng)用。

單片機的獨立發(fā)展道路不僅表現(xiàn)為單芯片的應(yīng)用，更重要的是忠實于嵌入式應(yīng)用要求的全新體系結(jié)構(gòu)探索。例如MCS－51單片機經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)中，突出控制要求的指令系統(tǒng)、能滿足外部擴展的I／O端口與完善的串行／并行總線；哈佛結(jié)構(gòu)中，不受病毒侵擾的只讀程序存儲器，以及滿足外圍電路不斷擴展要求的特殊功能寄存器（SFR）統(tǒng)一調(diào)度模式。有些不了解單片機的微控制器本質(zhì)的人曾一度將單片機稱為單片微型計算機（Sigle Chip Microcomputer，SCM），后來單片機才正名為微控制器（MicroController Unit，MCU）。

1.3 從單片機到嵌入式系統(tǒng)

1976年誕生的MCS－48系列單片機，以及1980年在MCS－48單片機基礎(chǔ)上完善而成的MCS－51系列單片機，是專門為嵌入式應(yīng)用要求設(shè)計，具有全新體系結(jié)構(gòu)的微控制器。由此開始了電子技術(shù)領(lǐng)域20年的單片機獨立發(fā)展道路。

20世紀末，隨著后PC時代的到來，大量計算機界人士進入到單片機領(lǐng)域，并以計算機工程方法迅速提升了單片機的應(yīng)用水平。計算機學(xué)科與微電子學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科的交叉融合，突出了單片機的嵌入式應(yīng)用特征，將微控制器的應(yīng)用從單片機時代推入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用時代。

2 微控制器的三個基本特點

從單片機與嵌入式系統(tǒng)的歷史誤會和曲折的發(fā)展歷史中，可以看到一個集單片、嵌入、物聯(lián)三個基本特點于一身的微控制器。在微控制器30年的發(fā)展歷程中，人們從不同角度來詮釋微控制器的時代特征，于是便有了早期的單片機時代、如今的嵌入式系統(tǒng)時代，以及正在進入的物聯(lián)網(wǎng)時代。無論哪個時代，單片、嵌入、物聯(lián)都是微控制器不可分離的基本特點，具體表現(xiàn)為單芯片的應(yīng)用形態(tài)、嵌入式的應(yīng)用環(huán)境、物聯(lián)的應(yīng)用本質(zhì)。

2.1 單芯片應(yīng)用形態(tài)

單芯片應(yīng)用形態(tài)表明，微處理器的嵌入式應(yīng)用必須走單芯片控制器的發(fā)展道路。微型機嵌入式應(yīng)用探索失敗是一個最好的證明。走單片機道路不只是滿足體積、價位的需求，更重要的是，要以單芯片形態(tài)創(chuàng)造出全新的微控制器體系結(jié)構(gòu)。最好的例證是MCS－48與 MC6801兩種單片機的道路探索。MCS－48采用了全新的控制器體系結(jié)構(gòu)、突出控制的指令系統(tǒng)與全新的電路系統(tǒng)設(shè)計，獲得成功；MC6801則是MC6800微型機刪減后的單片化改造，遭遇失敗。在MCS－48單片機初步取得成功后，迅速完善成MCS－51單片微控制器。MCS－51單片微控制器成為微控制器經(jīng)典結(jié)構(gòu)體系，并延續(xù)至今，創(chuàng)造了30年不衰的記錄。

2.2 嵌入式應(yīng)用環(huán)境

單片微控制器誕生，從根本上解決了嵌入式應(yīng)用中體積、價位、可靠性、控制能力、與對象系統(tǒng)緊耦合的一系列技術(shù)難題。

單片微控制器的微小體積與價位，最大限度地滿足了空間環(huán)境要求與市場要求；固化的只讀程序存儲器、突出控制功能的指令系統(tǒng)與體系結(jié)構(gòu)，滿足了對象控制的可靠性要求。因此，單片微控制器誕生后，迅速取代經(jīng)典電子系統(tǒng)，嵌入到對象體系（如家用電器、智能儀器、工控單元等）中實現(xiàn)對象體系的智能化控制。隨著微控制器外圍電路、接口技術(shù)的不斷擴展，出現(xiàn)了一個個IT產(chǎn)品的公共平臺，衍生出眾多的IT產(chǎn)品，如手機、PDA、MP3、MP4、電子辭典、電子書、數(shù)碼伴侶等。這些產(chǎn)品沒有明確的嵌入對象，體現(xiàn)了微控制器的內(nèi)嵌式應(yīng)用，即它們內(nèi)部一定嵌有一個微控制器。這樣一來，嵌入式應(yīng)用的概念便從原來“嵌入”擴展到“內(nèi)嵌”的全面嵌入式應(yīng)用。

2.3 物聯(lián)應(yīng)用本質(zhì)

微控制器為物聯(lián)而生，物聯(lián)是微控制器與生俱來的本質(zhì)特性。早在微處理器誕生時期，通用處理器與嵌入式處理器兩大分支的歷史性分工中，就賦予了嵌入式處理器的物聯(lián)使命。要實現(xiàn)導(dǎo)彈的飛行控制，就必須將微控制器嵌入到導(dǎo)彈中，與導(dǎo)彈的儀表系統(tǒng)、控制機構(gòu)，甚至與控制中心計算機相連，完成飛行參數(shù)的感知，在快速運算決策后控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)。

3 微控制器的三個時代變革

從1976年誕生 MCS－48系列單片機算起，微控制器已有30多年的歷史。30多年的歷史進程中微控制器經(jīng)歷了單片機與嵌入式系統(tǒng)兩個時代，如今又將進入物聯(lián)網(wǎng)時代。

單片機時代、嵌入式系統(tǒng)時代與物聯(lián)網(wǎng)時代，是微控制器的三個不同的變革時代。三個時代中不變的是微控制器的三個基本特點，變革的是不同學(xué)科介入后產(chǎn)生的巨大飛躍。

單片機的誕生，為電子技術(shù)領(lǐng)域提供了一個微控制器形態(tài)的歸一化智力內(nèi)核，開始了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造，開始了微控制器的單片機時代。后PC時代到來，大量計算機界人士進入單片機領(lǐng)域，電子技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合，大力提升了微控制器的嵌入式應(yīng)用水平，將單片機時代推進到嵌入式系統(tǒng)時代。如今，借助微控制器的智慧物聯(lián)，將互聯(lián)網(wǎng)延伸到物理對象，使微控制器以嵌入式系統(tǒng)身份進入到大有作為的物聯(lián)網(wǎng)時代。

綜上所述，無論是單片機、嵌入式系統(tǒng)還是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，都是在講述不同時代的同一類事件。在微控制器誕生后，經(jīng)歷了20年的單片機時代、10年的嵌入式系統(tǒng)時代，如今又進入到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時代。微控制器的三個時代，展現(xiàn)了微控制器的三個不同歷史時期，體現(xiàn)了微控制器的不斷深化、不斷變革。在這三個歷史時期中，微控制器始終保持單片形態(tài)、嵌入式應(yīng)用與物聯(lián)本質(zhì)三個基本特點，形成了微控制器發(fā)展史上的兩次華麗轉(zhuǎn)身，即從單片機到嵌入式系統(tǒng)的華麗轉(zhuǎn)身，以及從嵌入式系統(tǒng)到物聯(lián)網(wǎng)的華麗轉(zhuǎn)身。

4 從單片機到嵌入式系統(tǒng)的華麗轉(zhuǎn)身

1974年，第2代微處理器8080誕生后，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中迅速掀起了一股單片微控制器的應(yīng)用熱潮，出現(xiàn)了眾多型號的單片微控制器，為電子技術(shù)領(lǐng)域提供一個個智能化改造的智力內(nèi)核。因此，單片微控制器誕生后，立即進入到電子技術(shù)領(lǐng)域。半導(dǎo)體廠家的技術(shù)支持，低廉的硬件成本與開發(fā)裝置，易被電子工程師掌握的匯編語言編程技術(shù)，很快便掀起了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化的改造熱潮。

傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造，是專業(yè)領(lǐng)域（如自動控制、儀器儀表、家用電器等）對象系統(tǒng)的智能化改造，是半導(dǎo)體廠家與對象系統(tǒng)領(lǐng)域電子工程師的合作應(yīng)用模式。計算機界專業(yè)人士很難介入這種對象系統(tǒng)的智能化產(chǎn)品開發(fā)，形成了電子技術(shù)領(lǐng)域電子工程師單打獨斗的局面。這是一個20年微控制器應(yīng)用的緩慢發(fā)展期。計算機工程方法的欠缺，電子技術(shù)應(yīng)用模式的局限性，嚴重制約了微控制器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

正當單片機時代陷入困境時，計算機專業(yè)領(lǐng)域迎來了后PC時代。即以PC機為代表的微型計算機技術(shù)已進入到大企業(yè)（Intel公司和微軟公司）壟斷性的發(fā)展時代，群眾性的微型機科技時代已經(jīng)結(jié)束。受日益高漲的微控制器市場吸引，大批計算機專業(yè)人士進入微控制器領(lǐng)域。為了改變微控制器的電子工程技術(shù)應(yīng)用的印記，將微控制器的單片機概念變更到嵌入式系統(tǒng)的概念上來。這不是一般概念上的簡易變更，而是體現(xiàn)了微控制器應(yīng)用技術(shù)的變革，即從電子工程應(yīng)用模式變更到計算機工程應(yīng)用模式。這是微控制器應(yīng)用從單片機時代到嵌入式系統(tǒng)時代的第一次華麗轉(zhuǎn)身。之所以稱為華麗轉(zhuǎn)身，是因為計算機學(xué)科介入后，引入的計算機高級語言、操作系統(tǒng)、集成開發(fā)環(huán)境、計算機工程方法，大大地提高了微控制器的應(yīng)用水平，嵌入式系統(tǒng)成為了多學(xué)科的綜合應(yīng)用領(lǐng)地。在高等學(xué)校中，開始有了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)，探索嵌入式系統(tǒng)的學(xué)科建設(shè)。

5 從嵌入式系統(tǒng)到物聯(lián)網(wǎng)的華麗轉(zhuǎn)身

微控制器經(jīng)歷了20年單片機的緩慢發(fā)展期后，在10年的嵌入式系統(tǒng)時代中有了突飛猛進的發(fā)展。從單機應(yīng)用、分布式總線應(yīng)用到局域網(wǎng)應(yīng)用，微控制器芯片技術(shù)從數(shù)字集成、數(shù)模混合集成、軟件集成到大規(guī)模的SoC集成；與此同時，具有TCP／IP協(xié)議棧的內(nèi)嵌式單元與方便外接的互聯(lián)網(wǎng)接口技術(shù)大量涌現(xiàn)。無論是嵌入式系統(tǒng)單機還是嵌入式系統(tǒng)的局域網(wǎng)，與互聯(lián)網(wǎng)、GPS的連接成為常態(tài)，從而將互聯(lián)網(wǎng)順利地延伸到物理對象，變革成物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)時代，唯有嵌入式系統(tǒng)可以承擔起物聯(lián)網(wǎng)繁重的物聯(lián)任務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，首要任務(wù)是嵌入式系統(tǒng)物聯(lián)基礎(chǔ)上的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)。大量的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式系統(tǒng)復(fù)合人才的培養(yǎng)，都要求嵌入式系統(tǒng)迅速轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)。于是便有了如雨后春筍般出現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，這些專業(yè)不少是原來的嵌入式系統(tǒng)專業(yè)。同時，原來的智能家居轉(zhuǎn)身為物聯(lián)網(wǎng)家居，嵌入式系統(tǒng)實驗室轉(zhuǎn)身為物聯(lián)網(wǎng)實驗室。這樣的華麗轉(zhuǎn)身有利于投身到物聯(lián)時代微電子學(xué)科、計算機學(xué)科、通信學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、對象學(xué)科及IT產(chǎn)業(yè)總動員中，積極推動物聯(lián)網(wǎng)／云計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］何立民.從資本經(jīng)濟到知識經(jīng)濟［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］何立民.知識學(xué)原理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］何立民.從嵌入式系統(tǒng)看現(xiàn)代計算機產(chǎn)業(yè)革命［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（1）.

［4］何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（10）.

［5］何立民.從知識平臺角度重新認識集成電路［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（3）.

［6］何立民.嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（1）.