武漢理工大學(xué)計算機學(xué)院計算機應(yīng)用研究所   付世海

    在工業(yè)控制的應(yīng)用場合，歷來有把嵌入式同X86的PC機對立的習(xí)慣性思維。是的，把計算機做進(jìn)產(chǎn)品一起賣掉，嵌入式，尤其是用廉價的單片機，成本最低。可是，成本還要包括硬件的系統(tǒng)集成（包括電源、外設(shè)），軟件（系統(tǒng)和應(yīng)用軟件）。這樣算，就要找現(xiàn)成的開發(fā)平臺。國內(nèi)早期單片機之所以能替代北工大行銷多年的TP-801單板機，重要的是，有人，如江蘇啟東搞出了硬件的開發(fā)平臺。接著，又做了配套的軟件：監(jiān)控和高級語言，甚至一些常用的程序庫。后來流行了單片機，現(xiàn)在又有嵌入式ARM，就是試圖在不同的硬件（CPU指令系統(tǒng)不同）之上，規(guī)范出硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）上，搭建包括設(shè)備驅(qū)動的板級支持包BSP（Board Support Package），再提供實時操作系統(tǒng)RTOS，以及應(yīng)用程序接口API，來支持用戶的開發(fā)。人們把ARM看作手臂，幫助較快實現(xiàn)新產(chǎn)品的研發(fā)。假使別人真的明白ARM是先進(jìn)的RISC機器的簡稱，RISC是什么？反而會把許多不搞計算機體系結(jié)構(gòu)、只搞工控的朋友搞糊涂的。包括對于RTOS，純學(xué)自動化搞工控的，許多人也不熟悉。

    所以，懂計算機體系結(jié)構(gòu)，善于從硬軟件兩方面結(jié)合，兩手都硬的朋友，從微芯片下手做產(chǎn)品，可以大大降低成本。那么，要我們這些專業(yè)搞計算機的人有什么用呢？我們就要為搞工控的專家們，提供越來越方便的嵌入式的開發(fā)平臺。這也是計算機輔助設(shè)計CAD。不過，國內(nèi)很多人以為CAD就是輔助搞機械的做三維或平面視圖的機械設(shè)計。

    從單片機MCU、EDSP到SoC(System on a Chip)開始，看到Intel的48、51、96到196/296自然還有最早的F8、MC68010/68300等等，現(xiàn)在還流行三星、菲力浦等嵌入式的芯片，這幾代硬件到今后價格極低廉的SoC，硬件成本低廉，自然就有系統(tǒng)要自己設(shè)計的難題，嵌入式應(yīng)用的最大問題，在于要做硬件設(shè)計、測試，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序的代碼編程、調(diào)試。于是，人們很早就嘗試把單片機的計算機輔助設(shè)計用來簡化系統(tǒng)的生成與調(diào)試。應(yīng)用的主要技術(shù)路線是用一個母機（上位機）和被開發(fā)的子機（下位機）做通信聯(lián)系，在母機中利用諸如PC機這樣豐富的資源，做開發(fā)調(diào)試，語言上盡可能給用戶以高級的非匯編語言來編程，加上API的支持，是縮短了研發(fā)的時間；最好的是母機本身就是一個仿真系統(tǒng)，直接有接口去插入下位機的CPU插槽，可以單步跟蹤調(diào)試需要嵌入產(chǎn)品的計算機。這里就舉一個利用計算機輔助的仿真系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場的例子。1985年6月26日，在洛陽玻璃廠原料車間，當(dāng)時引進(jìn)德國的多處理器實時操作系統(tǒng)的原料配料計算機控制系統(tǒng)（五個8085A的CPU，還有一個用STEP5語言的PLC），在投產(chǎn)前測試中，就是用一個這樣的仿真系統(tǒng)，能夠把仿真8085ACPU的部件插入下位機的CPU槽位里，仔細(xì)跟蹤程序運行，定位軟硬件故障。只用一個上午，就把故障完全確定了。它幫助我可以定位到端口，所以，可以找出故障的板卡和具體的芯片。下午，只更換了幾個芯片，故障就全部排除，完成了七一投產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作。

    所以，在做工業(yè)控制項目，采用嵌入式計算機，就要從容易實現(xiàn)現(xiàn)場故障排除，它有沒有計算機的輔助，應(yīng)該是從事工業(yè)控制項目中選擇計算機時的一個重要的考慮因素。

    單是考慮大批量的產(chǎn)品需求、加上有小體積、低功耗的限制，人們無疑會選單片機的，雖然，它的開發(fā)需要自己做硬件的PCB板子，全部軟件要自己精心去設(shè)計，但是，為這類大批量的產(chǎn)品去做開頭難度較大的硬軟件設(shè)計，包括用ARM的體系結(jié)構(gòu)去做，一勞永逸是值得的。成功的例子，最明顯就是在電腦市場上大量熱銷的MP3、PDA掌上機、電子詞典、MP4、新款帶多媒體的手機等等近三年的數(shù)碼產(chǎn)品。里面的單片機幾乎都是RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）的CPU哦，甚至在音頻、視頻需要數(shù)碼處理，而大量用了雙CPU（MCU+DSP）[見下圖]。

    可是，工業(yè)控制的項目，一個現(xiàn)場有一種不同的工藝或設(shè)備的要求，不如用上手快的X86系統(tǒng)，它現(xiàn)在有各種方便于上下位計算機通信的接口和軟件，可以利用的資源豐富，它易于國內(nèi)許多學(xué)過X86的人上手，易于向熟悉X86（PC機）的用戶交接，便于他們自己早日學(xué)會去維護(hù)。只要是工業(yè)級的板卡，在穩(wěn)定性和抗干擾方面，由專門做工業(yè)級板卡廠商的正規(guī)產(chǎn)品，后期維護(hù)的麻煩絕對很少。比如，我和伙伴一起選用這種硬件系統(tǒng)的水泥廠偏火控制，歷次現(xiàn)場報急，要求去人，三次有三次全部不是我選擇的計算機硬件、研發(fā)的軟件出問題，不光是計算機選型。而且，包括機箱有空氣過濾保持主機內(nèi)微正壓，鍵盤防水、防灰等多種措施，合同保質(zhì)期內(nèi)，一直良好。

    X86系統(tǒng)，說白了，就是充分利用PC的資源優(yōu)勢做開發(fā)、做移交、做服務(wù)。所以，在項目和工程的研發(fā)上，可以選擇X86的系統(tǒng)。人們以為X86就是Intel的CPU，其實，還有AMD、VIA（威盛，包括他合并的IDT），去年，我曾經(jīng)測試了一個ARBOR用Transmeta的CPU做的X86的主板，檢查它的X86兼容性，看看原來做車載PC的兩個GIS（支持GPS做語音導(dǎo)航的地理信息系統(tǒng)）軟件在上面跑的如何，這顆發(fā)熱僅3、4瓦的CPU，還真的可以。自然，還得用BSWinStone做了辦公軟件、和CCWinStone多媒體應(yīng)用的兼容性測試，也是合格的。這顆CPU是用RISC技術(shù)，實現(xiàn)和X86兼容的，它的功能完全就像一臺PC的表現(xiàn)。功耗卻大大降低了。