武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所   付世海

    在工業(yè)控制的應(yīng)用場(chǎng)合，歷來(lái)有把嵌入式同X86的PC機(jī)對(duì)立的習(xí)慣性思維。是的，把計(jì)算機(jī)做進(jìn)產(chǎn)品一起賣(mài)掉，嵌入式，尤其是用廉價(jià)的單片機(jī)，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(kāi)發(fā)平臺(tái)。國(guó)內(nèi)早期單片機(jī)之所以能替代北工大行銷(xiāo)多年的TP-801單板機(jī)，重要的是，有人，如江蘇啟東搞出了硬件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。接著，又做了配套的軟件：監(jiān)控和高級(jí)語(yǔ)言，甚至一些常用的程序庫(kù)。后來(lái)流行了單片機(jī)，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(dòng)的板級(jí)支持包BSP（Board Support Package），再提供實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，以及應(yīng)用程序接口API，來(lái)支持用戶的開(kāi)發(fā)。人們把ARM看作手臂，幫助較快實(shí)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(jī)器的簡(jiǎn)稱，RISC是什么？反而會(huì)把許多不搞計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、只搞工控的朋友搞糊涂的。包括對(duì)于RTOS，純學(xué)自動(dòng)化搞工控的，許多人也不熟悉。

    所以，懂計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的人有什么用呢？我們就要為搞工控的專家們，提供越來(lái)越方便的嵌入式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這也是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD。不過(guò)，國(guó)內(nèi)很多人以為CAD就是輔助搞機(jī)械的做三維或平面視圖的機(jī)械設(shè)計(jì)。

    從單片機(jī)MCU、EDSP到SoC(System on a Chip)開(kāi)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(jià)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(jì)的難題，嵌入式應(yīng)用的最大問(wèn)題，在于要做硬件設(shè)計(jì)、測(cè)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(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用來(lái)簡(jiǎn)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(gè)母機(jī)（上位機(jī)）和被開(kāi)發(fā)的子機(jī)（下位機(jī)）做通信聯(lián)系，在母機(jī)中利用諸如PC機(jī)這樣豐富的資源，做開(kāi)發(fā)調(diào)試，語(yǔ)言上盡可能給用戶以高級(jí)的非匯編語(yǔ)言來(lái)編程，加上API的支持，是縮短了研發(fā)的時(shí)間；最好的是母機(jī)本身就是一個(gè)仿真系統(tǒng)，直接有接口去插入下位機(jī)的CPU插槽，可以單步跟蹤調(diào)試需要嵌入產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)。這里就舉一個(gè)利用計(jì)算機(jī)輔助的仿真系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的例子。1985年6月26日，在洛陽(yáng)玻璃廠原料車(chē)間，當(dāng)時(shí)引進(jìn)德國(guó)的多處理器實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的原料配料計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（五個(gè)8085A的CPU，還有一個(gè)用STEP5語(yǔ)言的PLC），在投產(chǎn)前測(cè)試中，就是用一個(gè)這樣的仿真系統(tǒng)，能夠把仿真8085ACPU的部件插入下位機(jī)的CPU槽位里，仔細(xì)跟蹤程序運(yùn)行，定位軟硬件故障。只用一個(gè)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(gè)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(xiàng)目，采用嵌入式計(jì)算機(jī)，就要從容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障排除，它有沒(méi)有計(jì)算機(jī)的輔助，應(yīng)該是從事工業(yè)控制項(xiàng)目中選擇計(jì)算機(jī)時(shí)的一個(gè)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(wú)疑會(huì)選單片機(jī)的，雖然，它的開(kāi)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(jì)，但是，為這類大批量的產(chǎn)品去做開(kāi)頭難度較大的硬軟件設(shè)計(jì)，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(chǎng)上大量熱銷(xiāo)的MP3、PDA掌上機(jī)、電子詞典、MP4、新款帶多媒體的手機(jī)等等近三年的數(shù)碼產(chǎn)品。里面的單片機(jī)幾乎都是RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）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(jiàn)下圖]。

    可是，工業(yè)控制的項(xiàng)目，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)通信的接口和軟件，可以利用的資源豐富，它易于國(guó)內(nèi)許多學(xué)過(guò)X86的人上手，易于向熟悉X86（PC機(jī)）的用戶交接，便于他們自己早日學(xué)會(huì)去維護(hù)。只要是工業(yè)級(jí)的板卡，在穩(wěn)定性和抗干擾方面，由專門(mén)做工業(yè)級(jí)板卡廠商的正規(guī)產(chǎn)品，后期維護(hù)的麻煩絕對(duì)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(chǎng)報(bào)急，要求去人，三次有三次全部不是我選擇的計(jì)算機(jī)硬件、研發(fā)的軟件出問(wèn)題，不光是計(jì)算機(jī)選型。而且，包括機(jī)箱有空氣過(guò)濾保持主機(jī)內(nèi)微正壓，鍵盤(pán)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(shuō)白了，就是充分利用PC的資源優(yōu)勢(shì)做開(kāi)發(fā)、做移交、做服務(wù)。所以，在項(xiàng)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(shí)，還有AMD、VIA（威盛，包括他合并的IDT），去年，我曾經(jīng)測(cè)試了一個(gè)ARBOR用Transmeta的CPU做的X86的主板，檢查它的X86兼容性，看看原來(lái)做車(chē)載PC的兩個(gè)GIS（支持GPS做語(yǔ)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(cè)試，也是合格的。這顆CPU是用RISC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和X86兼容的，它的功能完全就像一臺(tái)PC的表現(xiàn)。功耗卻大大降低了。