畅想未来的嵌入式系统

以北美的嵌入式系统会议(Embedded Systems Conference)和嵌入式系统设计杂志(EmbeddedSysterns Design)召开和创立为标志，2008年是嵌入式系统20周年。4月在硅谷的嵌入式系统西海岸会议，因为次贷危机引起的金融风暴只是略显端倪，依然是一派繁荣的景象。但是到10月波士顿东部会议，金融风暴已经刮起并开始蔓延全球，会议变得比较冷清也在情理之中。进入2009年，人们更多地关心这一年将会如何，此时畅想一下20年后的嵌入式系统，也许能让这个严寒的冬日增加些许暖意。

20年嵌入式系统回顾

回想嵌入式计算机系统在60～70年代只是在欧美军事和航天中应用，而且还是一个相当复杂、庞大和昂贵的系统，到了1971年微处理器(MPu)出现之后，才得以改变这种只有政府才能够享受昂贵技术的局面。今天我们看到的各种各样嵌入式系统的应用，好像已经是无所不在了。互联网的出现改变了人们的生活和经济发展方式，PC和各种便携式消费产品随处可见，电子产品变得愈加便宜和普及。嵌入式系统和技术渐渐走下圣殿成为日用品。单片机帮助我们认识了嵌入式系统，ARM和开源Linux我们真正步入了嵌入式系统。今天的中国嵌入式系统已经形成芯片设计、软件和操作系统开发、应用系统和教育培训等服务支撑体系的完整产业链。从嵌入式系统应用的角度看，中国和世界基本同步。

回顾过去的20年，看看嵌入式系统设计的方法、使用的工具、系统复杂度，我们发现，20年前美国嵌入式编程杂志(嵌入式系统设计杂志的前身)刊登的各种嵌入式软件、工具和芯片的广告，今天它的多数公司已经不存在了，芯片已经有很大的变化，但是嵌入式系统核心的设计方法没有变化。MCU/MPU在过去的20年已经更换了几个朝代，硬件(芯片和单板)设计在自动化工具帮助下，变得更加抽象、灵活和简单，而嵌入式软件依然依靠的是手工编程，但代码已经从几十K到了几M字节；嵌入式系统依然使用大量各种非标准的嵌入式操作系统(RTOS)，通用型操作系统Linux和WinCE大量使用在今天的嵌入式产品上，但是不可能占领所有的市场，因为嵌入式系统本身就没有一个像PC那样的标准硬件平台环境。各个产品使用的MCU/MPU、RAM、FLASH、I/O都不一样，系统的性能、功耗和功能要求都不相同。人们依然还面临移植操作系统、书写驱动程序、集成应用组件，然后还要优化系统的性能，改进电源管理等棘手的要求。

嵌入式系统发展的推动力

如果谈到嵌入式系统的变化，互联网和多媒体渗透到嵌入式系统中是过去20年最具有革命性的进步，具有联网能力的嵌入式设备的价值得到新的评估，全球已经有超过数亿的设备连接在网络上，20年后这个数目可能要到数百亿，如果再把各种智能传感器计算进来，未来这个数字会更惊人。典型的例子是像iPhone这样的手机，它已经不是传统意义的手机，而包含了电话、PDA、多媒体、网络和PC的部分功能。工业界也正在为未来的互联世界构造着各种可能的无线技术、芯片和智能装置，P2P(人到人)和M2M(机器到机器)是人类在未来20年里可以预见的伟大理想，无需置疑，嵌入式系统将在这个互联的世界里发挥重要的作用，基于Web2.0的思想和方法将影响和改变嵌入式系统，而嵌入式系统也将拓宽互联网的边界。

另外一个可能的发展动力，就是解决人类日益恶化的能源紧缺和污染问题。2008年除了金融危机外人们谈论最多的也是这个话题。2008年北京奥运会除了给人们展示了无与伦比的建筑、眼花缭乱的开闭幕式以外，还有一个今天还让人记忆犹新的便利交通和清新空气，新型能源的研究，更好地减少排放的新型汽车控制系统的设计，绿色和节能的电子产品，城市交通控制和无处不在的智能传感器都离不开嵌入式系统的贡献，也是嵌入式系统的责任和希望所在。

嵌入式系统的热点技术

2008年11月中旬我见到来自Virtual Logix嵌入式软件公司的CEOPeter Richards，我原本以为会从他那里听到更多有关美国金融危机对IT和嵌入式系统的影响，但是让我吃惊的是，他只是轻描淡写的说了一下金融危机的由来，然后话锋很快转到嵌入式系统的新技术――多核和虚拟化上来。我们谈到虚拟化在服务器已经取得了成功，正在进军桌面和嵌入式系统，虚拟化可以用在多核、单核高性能处理器上，解决安全、比如构建一个安全操作系统和开发操作系统环境，保证移动网上银行支付问题等。未来虚拟化将会在桌面、嵌入式和各种有计算能力的系统中使用。

未来可能对嵌入式系统影响最大的技术之一还是多核。进入20世纪后，摩尔定律推动下的集成电路设计正面临着制造、性能和功耗的平衡，以及设计和方法学等诸多因素的挑战。多核技术演衍出的多核芯片已经开始出现在嵌入式系统中，先是高密度计算需求的应用，比如网络、汽车电子系统和多媒体应用，然后将会逐渐渗透到各个领域。各种专门的设计可以解决特定功能多核系统的要求，比如今天的高性能网络设备、游戏机、多媒体装置等，但它们的实质还是一个个单核系统叠加。SMP(对称多处理)也只能解决一部分多核(以前的多处理器)负载均衡问题，但未来的路还很长。可以预见，自动化的设计工具和操作系统将会帮助嵌入式系统开发者完成多核系统的设计，并且是必须的。

除了多核，集成电路的发展给可配置技术提供了巨大的机会，这也是今天人们看到的XilinxFPGA、Cypress PSOC、Tensilica等配置处理器大行其道的原因，因为用户需要最新、最好、最酷的电子产品，半导体公司一定要使用最先进的制造工艺生产出最好性价比的芯片，OEM/ODM则应在最短的时间内做出产品，而且还要在3～6个月间不断更新。设计者需要的芯片技术就像软件那样可以不断地改变，以适应不同的标准、规格要求。绝大多数的IC设计公司会成为IP和嵌入式软件公司，这也印证了一位著名微电子学者的话：软件的增值会给设计公司带来很大的收入。

11月底，麦克泰成为ARM合作联盟成员(ACC)，我被邀请参加ARM年度技术研讨会，给我印象最深的除了ARM公司最新2D/3DMail GPU(图像处理器)演示外，就是ARM宣布Adobe和Canonical将在今年4月前将Ubuntu和FlashPlayer 10移植到ARM上，加上会议上飞思卡尔和TI介绍了他们基于ARM核的新型高性能MPU的MID/Netbook设计方案，这让人们不仅联想到Intel频频发力MID和嵌入式市场，嵌入式系统和桌面电脑的界限正变得模糊，好像嵌入式系统的开发未来也要转到PC模式。这的确是一个全新的思路和方法，因为MID/Netbook已经不是传统意义的嵌入式系统，PC模式开发方式的确很适合。但是，这不是嵌入式系统的全部。嵌入式系统的专用、特殊、定制的特点决定了各种嵌入式技术将会以用户和应用为导向；传统的MCU开发方式、私有的嵌入式操作系统、开源软件、商用软件将会并存；传统的以通用芯片为核心的嵌入式系统设计方法正在朝着面向应用和以用户需求为目标的路线发展。

金融危机总是要结束的，经济和生活终将恢复往日的繁荣，但是嵌入式系统所具有的多学科积累、知识沉淀和复用性效应将不会改变。这也是嵌入式系统的魅力。换言之，20年前掌握的嵌入式系统基础知识今天依然有用，也许20年年后还能用。回顾过去是为了掌握今天和了解未来，学习主流嵌入式系统知识、不断实践；了解未来发展、把握人生中机会是每个已经投身或者希望投身嵌入式系统的朋友要走的路。几年前拙作《我与单片机和嵌入式系统20年》一文发表后得到许多热心的朋友阅读、留言和推荐，今天我愿以此文和大家再次共勉。