從現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視角看嵌入式系統(tǒng)(3)
——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大分支

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)(3)
——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大分支

北京航空航天大學(xué)何立民

1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大任務(wù)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的源頭是圖靈機(jī)，因此現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是人工智能機(jī)。“計(jì)算”是人工智能機(jī)的基礎(chǔ)，但不是全部。人工智能機(jī)有兩大任務(wù)：一是主觀世界的智力仿真；二是客觀世界的智力控制。

智力仿真有各種類(lèi)型的專(zhuān)家系統(tǒng)，以及辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、科學(xué)計(jì)算、文化藝術(shù)創(chuàng)作、智力競(jìng)賽等。最著名的智力仿真，有IBM“深藍(lán)”計(jì)算機(jī)的“國(guó)際象棋大師”與“沃森”計(jì)算機(jī)的“智力競(jìng)賽機(jī)器人”。“深藍(lán)”計(jì)算機(jī)與“沃森”計(jì)算機(jī)的成功探索，為計(jì)算機(jī)替代專(zhuān)家群體智力帶來(lái)廣闊的應(yīng)用空間，實(shí)現(xiàn)從“國(guó)際象棋大師”到“國(guó)際頂級(jí)全科醫(yī)生”的夢(mèng)想指日可待。

客觀世界的智力控制主要是人類(lèi)工具的智能化。首先是傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造(如智能家電、智能儀表、智能工控單元等)，隨后便是眾多智能電子系統(tǒng)從單機(jī)智能化到多機(jī)智能網(wǎng)絡(luò)體系的創(chuàng)新時(shí)代(如機(jī)器人、汽車(chē)電子、城市交通管理、智能家居、自動(dòng)車(chē)間、自動(dòng)生產(chǎn)線等)。

智力仿真與智力控制，除了有相似的微處理器內(nèi)核外，無(wú)論是形態(tài)、體系結(jié)構(gòu)，還是應(yīng)用方式、應(yīng)用特點(diǎn)，都有巨大的本質(zhì)差異。

當(dāng)下的智力仿真，本質(zhì)上是通用計(jì)算機(jī)智力平臺(tái)上的海量高速數(shù)字處理(包括數(shù)據(jù)庫(kù)海量數(shù)據(jù)的快速智力檢索)，人機(jī)對(duì)話(huà)是智力仿真的基本交互方式。在應(yīng)用方式上，智力仿真是通用計(jì)算機(jī)智能平臺(tái)上專(zhuān)用軟件驅(qū)動(dòng)下的智力行為，與外部世界的交互盡在鍵盤(pán)、顯示、打印、數(shù)據(jù)輸入/輸出、軟件裝載卸載的人機(jī)交互之中。由于智力仿真是在人機(jī)對(duì)話(huà)狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求不如智力控制的要求高，當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)(如死機(jī)、病毒侵襲)，可以輕易發(fā)現(xiàn)、及時(shí)排除或重啟系統(tǒng)。

智力控制，用來(lái)實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的智能化管理與控制，與物理對(duì)象的交互是智力控制的主要交互方式。智力控制的手段是微控制器。微控制器嵌入到對(duì)象體系之中，與對(duì)象體系緊密相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的感知與控制。在許多情況下，智力控制是在無(wú)人介入狀況下，通過(guò)相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行，一旦出錯(cuò)可能會(huì)釀成大禍。因此，智力控制系統(tǒng)對(duì)可靠性、安全性有較高的要求。

雖然通用計(jì)算機(jī)與微控制器都源于圖靈機(jī)思想，并且是微處理器基礎(chǔ)上的孿生兄弟，但其體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展途徑、應(yīng)用方式大相徑庭，兩者不可兼得。

2微處理器演化的兩大分支

我們可以從微處理器誕生后的數(shù)年間，清晰地看到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩大分支如何形成，如何差異化發(fā)展。

世界上第一個(gè)微處理器是Intel公司于1971年推出的4位微處理器4004，隨后，于1972年升級(jí)為8位微處理器8008，1973年又推出了較為完善的8位微處理器8080。其后便開(kāi)始了通用計(jì)算機(jī)與微控制器的獨(dú)立發(fā)展道路。

在智力控制領(lǐng)域，集成電路發(fā)明者之一的仙童半導(dǎo)體公司(Intel公司兩名開(kāi)創(chuàng)者曾是仙童公司的創(chuàng)始人)，于1974年推出了第一個(gè)微控制器系列F8，隨后在智力控制領(lǐng)域開(kāi)始了微控制器(單片機(jī))爆發(fā)式的創(chuàng)新潮。1976年Intel公司開(kāi)始了MCS-48探索，1977年GI公司(General Instrument Corp)推出PIC1650系列，1978年有Rockwell公司的6500、Motorola公司的6801、Zilog公司的Z8等微控制器系列。1980年Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上推出了完善的MCS-51微控制器，此后80C51成為8位微控制器的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)盛不衰，成為微控制器領(lǐng)域的不死鳥(niǎo)。

在智力仿真領(lǐng)域，Intel公司于1978年開(kāi)始了通用微處理器的探索。1978年推出了具有16位內(nèi)總線和16位外總線的8086通用微處理器，1979年推出了具有16位內(nèi)總線和8位外總線的8088通用微處理器。1981年IBM公司在8080微處理器基礎(chǔ)上，創(chuàng)建的IBM PC機(jī)問(wèn)世，從此開(kāi)啟了通用計(jì)算機(jī)的獨(dú)立發(fā)展之路。

通用計(jì)算機(jī)與微控制器兩大分支的獨(dú)立發(fā)展，首先體現(xiàn)在兩者不同的體系結(jié)構(gòu)上：微控制器是具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間與程序空間的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)；通用計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)空間與程序空間合一的Von Neuman結(jié)構(gòu)。其次，為了適應(yīng)不同的任務(wù)要求，微控制器突出控制功能，有面向控制的指令系統(tǒng)；通用計(jì)算機(jī)則要求高速海量的數(shù)據(jù)處理能力。最后，微控制器面對(duì)被控對(duì)象，有豐富的外部總線與外圍功能單元；通用計(jì)算機(jī)則形成獨(dú)立的、以人機(jī)交互為主的桌面系統(tǒng)。

3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本特點(diǎn)

微處理器傳承了圖靈機(jī)的人工智能基因，有無(wú)限發(fā)展的智力前景，其智力表現(xiàn)為硬件基礎(chǔ)上的軟件行為。它們都有外部總線，具有多機(jī)集群能力的重要特征。

通用計(jì)算機(jī)與微控制器都源于微處理器，自然擁有相同的特點(diǎn)，但在應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用方式方面，又有各自不同的特點(diǎn)。它們的不同特點(diǎn)是：應(yīng)用方式的不同，通用計(jì)算機(jī)是平臺(tái)應(yīng)用方式，微控制器是嵌入式應(yīng)用方式；交互方式的不同，通用計(jì)算機(jī)采取人機(jī)交互方式，微控制器是與被控對(duì)象的交互方式；可靠性等級(jí)的不同，通用計(jì)算機(jī)對(duì)可靠性不敏感，允許出錯(cuò)，微控制器對(duì)可靠性敏感，不允許出錯(cuò)；實(shí)時(shí)性要求不同，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，大多數(shù)微控制器系統(tǒng)都有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本特點(diǎn)，源于它們有相同的微處理器源頭。不同的特點(diǎn)，決定了它們不同的發(fā)展道路；共同的特點(diǎn)，決定了它們會(huì)最終走上相互融合的發(fā)展道路，即今天物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的交互融合。

4現(xiàn)代計(jì)算機(jī)兩大分支的發(fā)展史

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，是微處理器基礎(chǔ)上的誕生史、兩大分支的并行發(fā)展史與最終交叉融合的發(fā)展史。

4.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生

從1971年4位微處理器4004 誕生到1973年8位微處理器完善至8080，只用了3年時(shí)間，便使現(xiàn)代計(jì)算機(jī)有了一個(gè)可靠的微處理器智力內(nèi)核。其后，用了8年時(shí)間，孕育了通用計(jì)算機(jī)與微控制器兩個(gè)孿生兄弟，即從1974年仙童公司的F8誕生，眾多半導(dǎo)體廠家跟進(jìn)，到1980年MCS-51問(wèn)世，標(biāo)志微控制器時(shí)代正式到來(lái)。另一方面，從1978年推出的8086、1979推出的8088，到1981年IBM PC問(wèn)世，表明通用微型計(jì)算機(jī)正式誕生。此后便開(kāi)啟了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里，微控制器與通用計(jì)算機(jī)兩大分支長(zhǎng)達(dá)20多年的并行發(fā)展史。

4.2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的并行發(fā)展

微控制器與通用計(jì)算機(jī)的不同特點(diǎn)，決定了它們誕生后必然分道揚(yáng)鑣。微控制器嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的智能化控制；通用計(jì)算機(jī)以智力平臺(tái)方式，實(shí)現(xiàn)人工智能的仿真。它們又以共同的集群性特點(diǎn)，完成了從單機(jī)、多機(jī)到網(wǎng)絡(luò)的演化與發(fā)展；以共同的人工智能特點(diǎn)，推動(dòng)了軟件產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。

通用計(jì)算機(jī)依托獨(dú)立的通用微處理器產(chǎn)業(yè)與軟件產(chǎn)業(yè)(通用操作系統(tǒng)與專(zhuān)用軟件產(chǎn)業(yè))，開(kāi)始了追求高速海量數(shù)值計(jì)算與智力仿真的技術(shù)發(fā)展道路。通用微處理器從8位、16位到32位、64位不斷翻新，時(shí)鐘頻率迅速?gòu)膋Hz、MHz向GHz級(jí)攀升。微控制器依托半導(dǎo)體廠商的芯片技術(shù)，開(kāi)始了以智能化控制為目標(biāo)的發(fā)展道路。誕生后的30多年內(nèi)，微控制器一直以8位機(jī)為主流產(chǎn)品(直到21世紀(jì)初ARM公司的介入)，時(shí)鐘頻率始終徘徊在MHz范圍。

微處理器總線的集群效應(yīng)，始終驅(qū)動(dòng)通用計(jì)算機(jī)與微控制器的多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展與演化。通用計(jì)算機(jī)從單機(jī)計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算，到互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)計(jì)算；微控制器從單機(jī)物聯(lián)、分布式物聯(lián)、總線物聯(lián)、局域物聯(lián)網(wǎng)的智能化控制,直到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)。

4.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)最終的交叉融合

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)兩大分支，始于20世紀(jì)70年代末，在經(jīng)歷30多年的并行發(fā)展后，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代終于實(shí)現(xiàn)了交叉融合。

從單機(jī)計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算，通用計(jì)算機(jī)完成了無(wú)限時(shí)空互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)，隨后便是從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的演化。互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有“物聯(lián)”基因，只是由于微控制器30余年從單機(jī)物聯(lián)、分布式物聯(lián)、總線物聯(lián)到局域物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展演化，當(dāng)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)普遍具備有互聯(lián)網(wǎng)接入功能時(shí)，便將互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)中，與物理對(duì)象相關(guān)聯(lián)的感知與控制，無(wú)一例外都要通過(guò)嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

可以看出，微控制器與通用計(jì)算機(jī)共同起源于半導(dǎo)體微處理器，在出現(xiàn)通用微處理器與嵌入式處理器分化后，便開(kāi)始了通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)兩大分支長(zhǎng)達(dá)30余年的獨(dú)立發(fā)展道路。

21世紀(jì)初，在嵌入式系統(tǒng)普遍實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的接入技術(shù)后，互聯(lián)網(wǎng)蛻變成物聯(lián)網(wǎng)，從而使人類(lèi)進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算時(shí)代。在與通用計(jì)算機(jī)交互融合后，嵌入式系統(tǒng)也從獨(dú)立發(fā)展時(shí)代進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的服務(wù)時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-09-24)