一种看不见的电脑„„

六、一种看不见的电脑„„——嵌入式计算机

现代社会中，电脑已是家喻户晓。提起电脑，人们头脑中自然会浮现出这样的情景：桌上摆放着电视般的显示器、键盘、鼠标和主机箱等，几乎占满整个书桌，玩家忙碌地敲击键盘，两眼紧盯屏幕。这种桌面上的电脑，俗称PC机，在网吧、办公室乃至教室、家庭随处可见，台式电脑的应用已十分普及，但是，台式电脑仅是电脑家族中的一个分支（如图1-11）。

人们并没有注意到，在生活和工作环境中存在许多看不见的电脑。它们埋藏在手机、MP3播放器（如图1-12）、数码相机、彩电、冰箱、DVD乃至机床、汽车、飞机、导弹和人造卫星等的内部，起着大脑般的智能作用，使这些设备和系统变得聪明灵巧，功能强大。这种看不见的电脑成了这类设备和系统名副其实的“电子脑”。

图1-11　台式电脑

图1-12　MP3播放器

众所周知，电脑是计算机的同义词。这种看不见的电脑，学名就叫做“嵌入式计算机”。习惯上，把嵌入了电脑的设备和系统称为嵌入式产品，嵌入式设备或嵌入式系统，统称嵌入式系统。

不难理解，嵌入式系统也是计算机的一种应用系统。与面孔千篇一律的PC计算机应用系统不同，嵌入式系统的外观和操作五花八门，因用处不同而差异很大，以致使用者“傻乎乎”而没有意识到这类电脑的存在。因而，嵌入式产品也就被戏称为“傻瓜机”，例如，“傻瓜相机”。显然，正是电脑的嵌入才使照相机等用品变得更聪明、更自动化，其结果反倒把人惯“懒”、变“傻”了。不过，人们可以用省下来的精力去处理更重要、更复杂的事情。例如，现代高速行驶的汽车配备的ABS系统，即防抱死刹车系统。这种刹车系统就带有嵌入式电脑。因此，不管路面质量如何，司机刹车技术高低，ABS系统都能做到刹车过程平稳安全，不会打滑翻车。可是，这种ABS外表与普通刹车踏板一样，司机根本看不见电脑，刹车操作也是脚踩，但动作简单，司机省下的精力可以应对更复杂的行车局面。又如，德国运动鞋制造商阿迪达斯（ADIDAS）于2004年研制成动的世界上第一双“智能鞋”，也是一种嵌入式电脑产品。这双被命名为“阿迪达斯1号”的运动鞋，在鞋底封装有电脑芯片、微马达、感应器和电池，还在一般运动鞋的基础上增加了压缩气体、减震器和弹簧等。其外形和穿法与普通运动鞋没有两样，可是穿上这种“智能鞋”，可望提高运动员的成绩和增强普通消费者的舒适感。这双智能鞋嵌入了微电脑，因而具有神奇的“感觉”、“理解”和“适应”能力。据有关媒体报道，还有人设计出了智能抽水马桶，以及有自适应能力的智能床等等。这样的嵌入式产品设计不胜枚举，但它们都是人们巧用嵌入式计算机的结果。图1-13为嵌入式微电脑的摄像机。

图1-13　嵌入式微电脑的摄像机

嵌入式电脑为何如此神通广大，其中有何奥妙？细想起来，既然嵌入式计算机也是一种电子计算机，它们当然具备电子计算机的基本特性，即计算可编程、信息可存储及能与用户交互等等。嵌入式计算机的系统结构大多数属于传统计算机的冯·诺依曼结构，其实际产品结构却比PC计算机精巧紧凑得多，但仍然是“麻雀虽小，肝胆俱全”。所谓冯·诺依曼计算机系统是围绕中央处理器（CPU）构造设计的，一侧是存储器（Memory），程序和数据的存储空间与存取电路是一体的；另一侧是与外界交互的I/O控制接口。

应该指出，嵌入式电脑的体系结构并非一成不变，不同的应用，有不同的结构。例如，专事数字信号处理的嵌入式电脑多采用哈佛（Harvard）模式的结构。所谓哈佛结构，即计算机中配备了两种独立的存储地址空间和存取电路，分别存放程序和数据，这样做，取指和读数可以同时进行，从而提高了数据处理速度。值得注意的是，由于应用发展的需要，嵌入式计算机已经不是埋在独立设备中的一个个“信息孤岛”，而是可以在宿主系统中成串的组网应用，也可以使宿主设备接入因特网，接受远程监控。除了系统结构实现上述这些独特性和多样性以外，嵌入式计算机还具有其突出的技术特性：

1.首先是结构方面，嵌入式电脑的应用是特定的，因而其系统资源配置，如存储器容量、处理器类别和I/O接口形式以及操作系统功能等等都是按应用实际需要而定制的，尽量简单。这与PC电脑的以不变应万变的大裕量通用配置有显著差别。

2.强调与“宿主”自然相适应。PC电脑的主要外部交互对象是作为用户的人，而嵌入式电脑嵌入在宿主设备/系统中，其主要交互对象是“宿主环境”，如前述ABS刹车系统中电脑的交互对象是车速、路面、踏板等，而不仅仅是人，尤其不是训练有素的电脑操作者。嵌入式电脑与外部的交互形式主要是自然的模拟信号和开关量，而且模拟信号的来源可能是电、热、光、声或其他，具体形式视宿主的技术特性而定。

3.对事件响应快速，实时性很重要。由于其所在“宿主”的技术要求有客观的节拍和时间限制，嵌入式电脑对事件的处理必须及时做出响应，即响应的实时性；否则，像在ABS系统中若是迟缓刹车行为，可能造成车毁人亡。

4.软件开发过程是反复交叉进行的。由于其资源配置有限和响应的实时约束，嵌入式软件的繁重开发任务主要在系统配置丰富的PC工作站上进行。这就带来嵌入式软件联编和调试过程的交叉性，即用PC机处理器的指令系统对嵌入式电脑（俗称目标机）的处理器代码（其指令系统与PC可能完全不同）进行联编，即交叉编译、连接。此外，交叉生成的目标代码还需下载到目标机，并在PC机与目标机之间完成交叉调试。与PC机应用软件的开发和应用都在同一平台相比，这种交叉开发，不仅使嵌入式软件开发更加复杂困难，而且，开发工具也变得复杂昂贵。

上述技术特性和限制使嵌入式电脑的设计与PC机有很大不同。首先，嵌入式软件所依靠的硬件平台设计得十分精简紧凑，其中央处理器（CPU）功能简练专用，而且与周边I/O电路、基本存储器集成在同一芯片上，称之为微控制器（MicroController Unit，简称MCU）或嵌入式处理器（embedded MPU，简称eMPU），甚至将整个嵌入式产品的专利模块和MCU集成在芯片上，成为片上系统，即SoC。针对嵌入式电脑定制灵活选配功能部件的要求，因此，仅仅处理器一项，市面上可供选择的产品种类就有一两百种。其中，包括两大类处理器：控制处理用MCU/eMPU和数字信号处理用DSP（Digital Signal Processor）。每一类嵌入式处理器又按其字长（8位、16位、32位和64位）和主频等不同规格分别提供。此外，嵌入式应用软件所依托的操作系统，即软件平台也是多种多样的。国外可供选购的嵌入式操作系统有近百个品种，如Vxworks、QNX和WinCE，eLinux等；国产嵌入式操作系统，如道系统（Delta-OS）和希望OS等能占有一席之地，并在不断壮大。

与PC平台的Win-Tel（视窗OS+奔腾芯片）模式的一统天下形成了鲜明对照，嵌入式平台呈现出百花齐放、个性十足和各有其用的繁荣景象。这种局面正好是我国发展电脑平台技术的难得机遇。如果说，是桌面式PC电脑的广泛应用揭开了计算机的神秘面纱，使得计算机成为公众的信息处理工具，那么，在信息化社会的后PC时代，计算机向人类社会的渗透能达到无孔不入的程度就应归功于嵌入式电脑的应用。

嵌入式电脑技术发展很快，其应用前景无量。可以设想，未来的嵌入式电脑将随时随地存在于人类社会的各个方面，不仅可以佩带在人体表面，而且可能以智能器官的形式嵌入人体，或替代失效器官，或增强原有器官功能，或诊断、修复体内病灶等。难怪，美国著名未来学家尼葛洛庞帝1999年1月访华时曾指出，嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。

（本节由熊光泽教授编写）