从现代计算机视角看嵌入式系统(3)——现代计算机的两大分支

北京航空航天大学　何立民



从现代计算机视角看嵌入式系统(3)
——现代计算机的两大分支

北京航空航天大学何立民

1现代计算机的两大任务

现代计算机的源头是图灵机，因此现代计算机是人工智能机。“计算”是人工智能机的基础，但不是全部。人工智能机有两大任务：一是主观世界的智力仿真；二是客观世界的智力控制。

智力仿真有各种类型的专家系统，以及办公自动化、计算机辅助设计、科学计算、文化艺术创作、智力竞赛等。最著名的智力仿真，有IBM“深蓝”计算机的“国际象棋大师”与“沃森”计算机的“智力竞赛机器人”。“深蓝”计算机与“沃森”计算机的成功探索，为计算机替代专家群体智力带来广阔的应用空间，实现从“国际象棋大师”到“国际顶级全科医生”的梦想指日可待。

客观世界的智力控制主要是人类工具的智能化。首先是传统电子系统的智能化改造(如智能家电、智能仪表、智能工控单元等)，随后便是众多智能电子系统从单机智能化到多机智能网络体系的创新时代(如机器人、汽车电子、城市交通管理、智能家居、自动车间、自动生产线等)。

智力仿真与智力控制，除了有相似的微处理器内核外，无论是形态、体系结构，还是应用方式、应用特点，都有巨大的本质差异。

当下的智力仿真，本质上是通用计算机智力平台上的海量高速数字处理(包括数据库海量数据的快速智力检索)，人机对话是智力仿真的基本交互方式。在应用方式上，智力仿真是通用计算机智能平台上专用软件驱动下的智力行为，与外部世界的交互尽在键盘、显示、打印、数据输入/输出、软件装载卸载的人机交互之中。由于智力仿真是在人机对话状态下进行，对系统的可靠性要求不如智力控制的要求高，当系统出错时(如死机、病毒侵袭)，可以轻易发现、及时排除或重启系统。

智力控制，用来实现物理对象的智能化管理与控制，与物理对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。微控制器嵌入到对象体系之中，与对象体系紧密相连，实现对象体系的感知与控制。在许多情况下，智力控制是在无人介入状况下，通过相应的控制机构进行，一旦出错可能会酿成大祸。因此，智力控制系统对可靠性、安全性有较高的要求。

虽然通用计算机与微控制器都源于图灵机思想，并且是微处理器基础上的孪生兄弟，但其体系结构、发展途径、应用方式大相径庭，两者不可兼得。

2微处理器演化的两大分支

我们可以从微处理器诞生后的数年间，清晰地看到现代计算机的两大分支如何形成，如何差异化发展。

世界上第一个微处理器是Intel公司于1971年推出的4位微处理器4004，随后，于1972年升级为8位微处理器8008，1973年又推出了较为完善的8位微处理器8080。其后便开始了通用计算机与微控制器的独立发展道路。

在智力控制领域，集成电路发明者之一的仙童半导体公司(Intel公司两名开创者曾是仙童公司的创始人)，于1974年推出了第一个微控制器系列F8，随后在智力控制领域开始了微控制器(单片机)爆发式的创新潮。1976年Intel公司开始了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基础上推出了完善的MCS-51微控制器，此后80C51成为8位微控制器的经典体系结构，长盛不衰，成为微控制器领域的不死鸟。

在智力仿真领域，Intel公司于1978年开始了通用微处理器的探索。1978年推出了具有16位内总线和16位外总线的8086通用微处理器，1979年推出了具有16位内总线和8位外总线的8088通用微处理器。1981年IBM公司在8080微处理器基础上，创建的IBM PC机问世，从此开启了通用计算机的独立发展之路。

通用计算机与微控制器两大分支的独立发展，首先体现在两者不同的体系结构上：微控制器是具有独立的数据空间与程序空间的哈佛(Harvard)结构；通用计算机是数据空间与程序空间合一的Von Neuman结构。其次，为了适应不同的任务要求，微控制器突出控制功能，有面向控制的指令系统；通用计算机则要求高速海量的数据处理能力。最后，微控制器面对被控对象，有丰富的外部总线与外围功能单元；通用计算机则形成独立的、以人机交互为主的桌面系统。

3现代计算机的基本特点

微处理器传承了图灵机的人工智能基因，有无限发展的智力前景，其智力表现为硬件基础上的软件行为。它们都有外部总线，具有多机集群能力的重要特征。

通用计算机与微控制器都源于微处理器，自然拥有相同的特点，但在应用领域、应用方式方面，又有各自不同的特点。它们的不同特点是：应用方式的不同，通用计算机是平台应用方式，微控制器是嵌入式应用方式；交互方式的不同，通用计算机采取人机交互方式，微控制器是与被控对象的交互方式；可靠性等级的不同，通用计算机对可靠性不敏感，允许出错，微控制器对可靠性敏感，不允许出错；实时性要求不同，通用计算机系统没有严格的实时性要求，大多数微控制器系统都有严格的实时性要求。

现代计算机的基本特点，源于它们有相同的微处理器源头。不同的特点，决定了它们不同的发展道路；共同的特点，决定了它们会最终走上相互融合的发展道路，即今天物联网时代的交互融合。

4现代计算机两大分支的发展史

现代计算机的发展史，是微处理器基础上的诞生史、两大分支的并行发展史与最终交叉融合的发展史。

4.1现代计算机的诞生

从1971年4位微处理器4004 诞生到1973年8位微处理器完善至8080，只用了3年时间，便使现代计算机有了一个可靠的微处理器智力内核。其后，用了8年时间，孕育了通用计算机与微控制器两个孪生兄弟，即从1974年仙童公司的F8诞生，众多半导体厂家跟进，到1980年MCS-51问世，标志微控制器时代正式到来。另一方面，从1978年推出的8086、1979推出的8088，到1981年IBM PC问世，表明通用微型计算机正式诞生。此后便开启了现代计算机领域里，微控制器与通用计算机两大分支长达20多年的并行发展史。

4.2现代计算机的并行发展

微控制器与通用计算机的不同特点，决定了它们诞生后必然分道扬镳。微控制器嵌入到对象体系中，实现物理对象的智能化控制；通用计算机以智力平台方式，实现人工智能的仿真。它们又以共同的集群性特点，完成了从单机、多机到网络的演化与发展；以共同的人工智能特点，推动了软件产业的繁荣发展。

通用计算机依托独立的通用微处理器产业与软件产业(通用操作系统与专用软件产业)，开始了追求高速海量数值计算与智力仿真的技术发展道路。通用微处理器从8位、16位到32位、64位不断翻新，时钟频率迅速从kHz、MHz向GHz级攀升。微控制器依托半导体厂商的芯片技术，开始了以智能化控制为目标的发展道路。诞生后的30多年内，微控制器一直以8位机为主流产品(直到21世纪初ARM公司的介入)，时钟频率始终徘徊在MHz范围。

微处理器总线的集群效应，始终驱动通用计算机与微控制器的多机与网络化的发展与演化。通用计算机从单机计算、分布式计算、网格计算，到互联网的大数据计算；微控制器从单机物联、分布式物联、总线物联、局域物联网的智能化控制,直到物联网时代到来。

4.3现代计算机最终的交叉融合

现代计算机两大分支，始于20世纪70年代末，在经历30多年的并行发展后，在物联网时代终于实现了交叉融合。

从单机计算、分布式计算、网格计算，通用计算机完成了无限时空互联互通的互联网，随后便是从互联网到物联网的演化。互联网没有“物联”基因，只是由于微控制器30余年从单机物联、分布式物联、总线物联到局域物联网的发展演化，当嵌入式应用系统普遍具备有互联网接入功能时，便将互联网推进到物联网时代。物联网中，与物理对象相关联的感知与控制，无一例外都要通过嵌入式系统来实现。

可以看出，微控制器与通用计算机共同起源于半导体微处理器，在出现通用微处理器与嵌入式处理器分化后，便开始了通用计算机与嵌入式系统两大分支长达30余年的独立发展道路。

21世纪初，在嵌入式系统普遍实现了互联网的接入技术后，互联网蜕变成物联网，从而使人类进入到物联网的大数据、云计算时代。在与通用计算机交互融合后，嵌入式系统也从独立发展时代进入到物联网应用的服务时代。

参考文献

[1] 何立民.嵌入式系统的定义与发展历史[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(1).

[2] 何立民.从嵌入式系统看现代计算机产业革命[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(1).

[3] 何立民.物联网时代的嵌入式系统机遇[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(3).

收稿日期：(责任编辑：薛士然2015-09-24)