[科普中国]-嵌入式个人计算机

简介

随着科学技术的飞跃发展,计算机几乎随处可见。嵌入式个人计算机就是一种应用范围最广的计算机系统。这种计算机是一种安装在用户应用或设备内的具有硬件及软件的智能部件,其规模小到芯片级(例如各种单片机、微程序控制器),中到插板级(例如各种基于某种标准总线的单板计算机),大到机箱级(例如基于标准总线的计算机系统或多处理机系统),其位数一般为8/16/32位。

今天,嵌入式个人计算机已大量应用于仪器仪表、自控设备、通讯设备、数控设备、计算机工业、工业机器人等现代工业中。由于它具有适宜不同要求的灵活的硬、软件配置,从而使传统工业发生了日新月异的革命性变化。另一方面,嵌入式个人计算机在军事领域也得到广泛应用,正在现代武器装备、雷达、军事电子对抗等领域发挥举足轻重的核心作用,极大地提高了军事应变能力及对敌方的打击力度。可以说,嵌入式个人计算机已成为现代社会生活中必不可少的部件,是一种无处不在的计算机系统。1

嵌入式计算机应用软件一般具有较强专用性,需由嵌入式计算机的用户自己开发。而内嵌计算机的产品开发周期往往要求短,质量要求高,以满足抢占市场、提高产品生命力的需要。这些都积极地推动着嵌人式计算机软件开发工具的迅速发展,形成了适应于不同规模的嵌人式应用需求的软件开发工具市场。

嵌入式计算机系统嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软/硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

特点嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。嵌入式系统集应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时性和多任务的体系。该系统通常是面向特定应用，将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。所以系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体的应用中对处理器的选择更具有竞争力。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。嵌入式本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

充分利用嵌入式个人计算机系统技术的特点，应用于虚拟仪器、网络设备、军事装备等设计中。在软件结构方面出现了各种各样的商业用实时嵌入式操作系统。2

未来发展从使用角度来说，计算机可分为两类：一类是独立使用的计算机系统，如个人计算机、工作站等；一类是嵌入式个人计算机系统，它是作为其他系统的组成部分使用的。不管是哪一种计算机系统，要能够迅速地向前发展，都必须满足五个简单而又基本的条件：一是经济性，计算机要很便宜，让更多的人能买得起；二是小型化，人们携带起来方便；三是可靠性，能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行；四是高速度，能够迅速地完成数据计算或数据传输；五是智能性，使人们用起来更习惯，对人们更有使用价值。不过，对不少应用来说，嵌入式个人计算机系统对这些基本条件的要求往往是更苛刻的。这可以从一些嵌入式系统的成功与失败的例子清楚地看出来。所以，这里就从这五个基本条件出发，展望一下嵌入式系统发展的未来。

嵌入式系统的发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。今天正在开发的嵌入式系统，到底哪些明天定会取得应用上的成功，这是很难预料的。因为这不仅要取决于技术的因素，还要取决于社会的因素。虽然预测未来是困难的，但不管怎样，展望未来，明天的嵌入式系统将会比今天的更便宜、更小巧、更可靠、更高效而且更智能化，因为这毕竟是它赖以发展并为人类所最能接受的简单而基本的条件。所以从技术上来看，沿着这五个简单而基本的条件努力，恐怕是势在必行和不可忽视的。3

发展方向从某种意义上来看，引导嵌入式个人计算机发展的永远是其普及重要性所带来的市场需求。嵌入式个人计算机进一步发展的可能性也有两个方面：一是更加微型化；二是更加智能化。

更加微型化从国防建设来说，微型化是嵌入式个人计算机能进一步普及、满足未来五维战争(海、陆、空、天、电子)模式的直接需要。从国民经济来说，只有微型化，才能使嵌入式个人计算机更加价廉物美，具有更强的竞争力。

更加智能化科学工作者正在把生命作为一种智能计算机来理解,第三次产业革命的物质机器,估计将是全面具有类人智能的机器；人脑的基本成份的95%是水,人体是由氢,氧,碳,氮,钙和一些盐类,再加一些微量元素,如铁,镁等基本元素的原子级的巧妙构造而来的。人们正在从生物技术,机器人技术,神经元计算技术与生命技术等多方面进行探索,希望能在原子与分子级上进行设计来实现人们所希望的类生物智能的产品,使人类从信息时代进入智能时代。4

未来技术嵌入个人式计算机的基础技术可以从设计技术与制造技术两个方面来讨论。设计的基础技术包括软件设计的基础技术与芯片设计的基础技术。制造的基础技术当前主要还是硅芯片技术。

软件设计的基础技术软件设计的基础技术之一就是计算机的接口技术。今天的WIMP(windows,icons,menus,and pointing devices)接口是容易学习和使用的，但它不是用户接口发展的终点。新出现的用户接口技术SILK(speech,image,language,and knowledge capabilities)包含了语音、图像与知识三个方面发展。

语音和语言技术尽管现在没有一个语言翻译电话，语音技术正在迅速的成熟，将成为计算机的一个实际输入手段。声音识别系统正在用于安全系统，声音邮电系统，以及其它应用中。英语命令的自然语言处理将是未来用户接口的一个部分。人们希望有在建立文档的同时能够阅读文档，按照人们的命令编辑文档，以及根据文档内容使文档文件化的程序。

图像显示技术未来的计算机图示将不是静止的平面的图像，而是将包括三维模型、动画视频剪辑。虚拟现实的用户接口将建立一个幻觉，使用户沉浸于计算机内的一个世界中，也就是建立一个包含情景与控制改变这些情景的环境。

知识技术知识将是未来用户接口中的最重要的内容。知识技术的进步将使工程师能够设计一个自我维护的系统。知识技术的进步，将使用户接口更加友好与宽容。知识技术的进步，将解密许多模糊的命令，并校正一般的错误，更为重要的是知识技术将使软件代理对用户真正是服务型的。

智能代理技术现在我们是与计算机一起工作，人们希望将来是计算机独立的为我们工作。计算机的服务正在向真正的智能代理(Truly intelligentagents)方向发展。代理是一个用于管理而不是操作的软件程序，智能软件代理能够提出问题与响应命令，关注其用户的工作模式，像导游与教练那样来服务。未来的代理将是更好的能与人类助手竞争的真正的智能代理。

芯片设计的基础技术今后的嵌入式个人计算机的硬件设计主要是系统芯片的设计。系统芯片的设计是面向应用领域的优化设计。芯片设计中的一些最创新的工作不是在处理器中应包含些什么，而是根据应用领域的需要，如何将它们放在一起。

今天正在开发的嵌入式个人计算机，到底哪些明天定会取得应用上的成功，这是很难预料的。因为这不仅要取决于技术的因素，还要取决于社会的因素。虽然预测未来是困难的，但不管怎样，展望未来，明天的嵌入式个人计算机将会比今天的更便宜，更小巧，更可靠，更高效而且更智能化。嵌入式个人计算机赖以发展并为人类所最能接受的简单而基本的条件，只有通过系统芯片的设计才能解决。

蓝色基因计算机的设计就面向应用领域的优化设计来说，不仅是嵌入式个人计算机是要面向应用领域优化设计的，而且今后的高性能计算机也是要面向应用领域优化设计的。一个最典型的例子就是IBM的蓝色基因计算机。它是用来研究人类蛋白质分子的折叠方式的。它由100万个，每个的运算速度为10亿次的小而简单的处理器组成，没有耗电的caches存储器，具有自修复能力。

芯片制造的基础技术不能简单的假定：明天的计算机就是今天PC机的更小的功能更强的新版本。生活在模拟世界中的人类，现在是通过显示器，键盘与鼠标来访问人类创造的计算机生存的那个数字世界的。新的芯片制造技术：传感器技术，显示器技术，存储器技术等，将会把计算机推向一个全新的发展方向。

芯片制造技术的现状芯片加工设备正在从200毫米硅圆片加工设备向300毫米硅圆片加工设备过渡。人们估计，采用300毫米硅圆片将比200毫米硅圆片降低芯片成本30%。芯片特征线宽，目前0.18~0.25mm芯片已进入批量生产阶段，估计2002年将达到0.13um，半导体设备厂商正在积极进行努力，研发100nm技术的加工设备。

传感器技术未来的几十年中，传感器技术的应用将使计算机进入人类生活的这个模拟世界。嵌入式个人计算机下一个要突破的芯片技术将是使数字器件能监视模拟世界的便宜的传感器。温度传感器，光传感器，运动传感器，以及其它传感器已经使得计算机能够跟踪许多真实世界的活动与情况。随着这些技术的成熟，更复杂的器件将像眼睛，耳朵以及其它感觉器官那样，为计算机网络服务。4