武漢理工大學計算機學院計算機應用研究所   付世海

    在工業控制的應用場合，歷來有把嵌入式同X86的PC機對立的習慣性思維。是的，把計算機做進產品一起賣掉，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集成（包括電源、外設），軟件（系統和應用軟件）。這樣算，就要找現成的開發平臺。國內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平臺。接著，又做了配套的軟件：監控和高級語言，甚至一些常用的程序庫。后來流行了單片機，現在又有嵌入式ARM，就是試圖在不同的硬件（CPU指令系統不同）之上，規范出硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）上，搭建包括設備驅動的板級支持包BSP（Board Support Package），再提供實時操作系統RTOS，以及應用程序接口API，來支持用戶的開發。人們把ARM看作手臂，幫助較快實現新產品的研發。假使別人真的明白ARM是先進的RISC機器的簡稱，RISC是什么？反而會把許多不搞計算機體系結構、只搞工控的朋友搞糊涂的。包括對于RTOS，純學自動化搞工控的，許多人也不熟悉。

    所以，懂計算機體系結構，善于從硬軟件兩方面結合，兩手都硬的朋友，從微芯片下手做產品，可以大大降低成本。那么，要我們這些專業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平臺。這也是計算機輔助設計CAD。不過，國內很多人以為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，自然就有系統要自己設計的難題，嵌入式應用的最大問題，在于要做硬件設計、測試，系統軟件和應用程序的代碼編程、調試。于是，人們很早就嘗試把單片機的計算機輔助設計用來簡化系統的生成與調試。應用的主要技術路線是用一個母機（上位機）和被開發的子機（下位機）做通信聯系，在母機中利用諸如PC機這樣豐富的資源，做開發調試，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，是縮短了研發的時間；最好的是母機本身就是一個仿真系統，直接有接口去插入下位機的CPU插槽，可以單步跟蹤調試需要嵌入產品的計算機。這里就舉一個利用計算機輔助的仿真系統，在工業現場的例子。1985年6月26日，在洛陽玻璃廠原料車間，當時引進德國的多處理器實時操作系統的原料配料計算機控制系統（五個8085A的CPU，還有一個用STEP5語言的PLC），在投產前測試中，就是用一個這樣的仿真系統，能夠把仿真8085ACPU的部件插入下位機的CPU槽位里，仔細跟蹤程序運行，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，完成了七一投產前的準備工作。

    所以，在做工業控制項目，采用嵌入式計算機，就要從容易實現現場故障排除，它有沒有計算機的輔助，應該是從事工業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，它的開發需要自己做硬件的PCB板子，全部軟件要自己精心去設計，但是，為這類大批量的產品去做開頭難度較大的硬軟件設計，包括用ARM的體系結構去做，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碼產品。里面的單片機幾乎都是RISC（精簡指令系統計算機）的CPU哦，甚至在音頻、視頻需要數碼處理，而大量用了雙CPU（MCU+DSP）[見下圖]。

    可是，工業控制的項目，一個現場有一種不同的工藝或設備的要求，不如用上手快的X86系統，它現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，它易于國內許多學過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會去維護。只要是工業級的板卡，在穩定性和抗干擾方面，由專門做工業級板卡廠商的正規產品，后期維護的麻煩絕對很少。比如，我和伙伴一起選用這種硬件系統的水泥廠偏火控制，歷次現場報急，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微正壓，鍵盤防水、防灰等多種措施，合同保質期內，一直良好。

    X86系統，說白了，就是充分利用PC的資源優勢做開發、做移交、做服務。所以，在項目和工程的研發上，可以選擇X86的系統。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做語音導航的地理信息系統）軟件在上面跑的如何，這顆發熱僅3、4瓦的CPU，還真的可以。自然，還得用BSWinStone做了辦公軟件、和CCWinStone多媒體應用的兼容性測試，也是合格的。這顆CPU是用RISC技術，實現和X86兼容的，它的功能完全就像一臺PC的表現。功耗卻大大降低了。