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嵌入式計(jì)算機(jī)的來(lái)龍去脈

    電子計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)分類(lèi)方法，是按照體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、系統(tǒng)規(guī)模和適用領(lǐng)域分為大型、中型、小型和微型。這種計(jì)算機(jī)分類(lèi)方法沿襲了約40多年。近些年來(lái)，隨著半導(dǎo)體、微電子和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)面向應(yīng)用出現(xiàn)了兩大分支：實(shí)現(xiàn)智能化控制的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及進(jìn)行高速、海量數(shù)值計(jì)算的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并據(jù)此將計(jì)算機(jī)分為嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)兩大類(lèi)。二者的技術(shù)發(fā)展方向不同：前者注重與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力及可靠性；而后者注重運(yùn)算速度的提升和存儲(chǔ)容量的擴(kuò)大。

    由此，武器裝備系統(tǒng)中也相應(yīng)出現(xiàn)了“嵌入式”和“通用”的計(jì)算機(jī)分類(lèi)方法。軍用嵌入式計(jì)算機(jī)是指以芯片、模板、插件或控制器等形式“鑲嵌”在武器或武器系統(tǒng)內(nèi)部，智能地完成系統(tǒng)功能的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，分為設(shè)備級(jí)（工控機(jī)）、板級(jí)（單板、模塊）、芯片級(jí)（MCU、SoC）。它主要用于武器控制、指揮控制、通信系統(tǒng)、作戰(zhàn)仿真、保障系統(tǒng)中，可執(zhí)行一種或多種特定任務(wù)，具有體積小、重量輕、功耗低、適應(yīng)惡劣環(huán)境、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。

    可以說(shuō)，是微型機(jī)時(shí)代的應(yīng)用造就了嵌入式計(jì)算機(jī)。一方面，現(xiàn)代作戰(zhàn)需要計(jì)算機(jī)“嵌入”到武器裝備中，使武器系統(tǒng)更加智能化；另一方面，技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)有可能“嵌入”到武器裝備中。作戰(zhàn)需求和技術(shù)可能的互動(dòng)，是軍用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到快速發(fā)展的推動(dòng)力。

嵌入式計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

    基本特點(diǎn)
    作為一種嵌入到對(duì)象體系中的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，“嵌入”、“專(zhuān)用”和“計(jì)算機(jī)”是嵌入式計(jì)算機(jī)的3個(gè)基本要素；并由此衍生出以下3個(gè)基本特點(diǎn)：為了“嵌入”，必須滿(mǎn)足嵌入對(duì)象的要求，如物理環(huán)境（小型）、作戰(zhàn)環(huán)境（可靠）、使用成本（價(jià)廉）等；由于“專(zhuān)用”，可以“裁剪”軟、硬件，使之滿(mǎn)足對(duì)象要求的最小配置；嵌入式計(jì)算機(jī)必須是能滿(mǎn)足對(duì)象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

    結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    ⑴與宿主相匹配。嵌入式計(jì)算機(jī)作為武器系統(tǒng)等宿主的組成部分，其體積、重量、形狀等諸多參數(shù)必須滿(mǎn)足宿主的不同要求；其功能要與宿主的水平相適應(yīng)，過(guò)高或過(guò)低都是不理想的。

    ⑵實(shí)時(shí)性強(qiáng)。嵌入式計(jì)算機(jī)直接從傳感器獲取信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)處理，以滿(mǎn)足“從傳感器到射手”的時(shí)間要求。因此對(duì)信息處理、管理和分發(fā)的實(shí)時(shí)性要求很高。

    ⑶可靠性。嵌入式計(jì)算機(jī)大量用于空間、空中、海上等惡劣環(huán)境中，要經(jīng)受高輻射、超低溫、鹽霧、振動(dòng)等考驗(yàn)，在星載計(jì)算機(jī)中要自主工作多年。因此對(duì)可靠性的要求極高。

    ⑷模塊化設(shè)計(jì)。采用商用現(xiàn)貨、相互使用和重復(fù)使用的硬件和軟件模塊，可大大降低成本，提高系統(tǒng)性能。新的嵌入式計(jì)算機(jī)大多采用整體式模塊設(shè)計(jì)方式。

    應(yīng)用特點(diǎn)
    嵌入式計(jì)算機(jī)針對(duì)特定對(duì)象的應(yīng)用特點(diǎn)，要求計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)人員了解對(duì)象系統(tǒng)的控制要求，介入體系結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)、工程應(yīng)用方面的研究。嵌入式計(jì)算機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中，形成了兩種并存的、相互補(bǔ)充的應(yīng)用模式：①電子技術(shù)工程師以自己的應(yīng)用習(xí)慣開(kāi)發(fā)單片機(jī)，特點(diǎn)是軟、硬件的底層性和隨意性，以及與對(duì)象系統(tǒng)的密切相關(guān)性，但缺少計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)方法。②計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人士介入，帶有明顯的計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用特點(diǎn)，軟、硬件平臺(tái)基于嵌入式系統(tǒng)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、通信等非嵌入式底層應(yīng)用。

嵌入式計(jì)算機(jī)的構(gòu)成

    嵌入式計(jì)算機(jī)通常由“嵌入式”微處理器、相關(guān)的硬件設(shè)備（如內(nèi)部總線(xiàn)、接口以及外部總線(xiàn)）以及“嵌入式”軟件系統(tǒng)三個(gè)主要部分組成。

    微處理器是嵌入式計(jì)算機(jī)的核心，主要產(chǎn)品如IBM公司的PowerPC、英特爾公司的“奔騰”和Sun公司的SPARC等系列產(chǎn)品。隨著絕緣體硅（SOI）、銅布線(xiàn)等新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，微處理器的功能大大增強(qiáng)。嵌入式微處理器通常采用指令和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)的準(zhǔn)Harvard存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，以及指令集設(shè)計(jì)（SISC）指令組織結(jié)構(gòu)。

    內(nèi)部總線(xiàn)用于插件之間的信息傳遞。由于VME內(nèi)部總線(xiàn)能靈活地將不同廠(chǎng)商的異種板級(jí)產(chǎn)品集成于同一系統(tǒng)中，因此一直處于軍用系統(tǒng)內(nèi)部總線(xiàn)的領(lǐng)先地位。PC/104和CompactPCI內(nèi)部總線(xiàn)是后起之秀，美軍的全球定位系統(tǒng)和士兵便攜式系統(tǒng)維護(hù)工具都用到了PC/104總線(xiàn)。

    外部總線(xiàn)用于主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。嵌入式計(jì)算機(jī)主要采用1553B總線(xiàn)。光纖通道肯定是未來(lái)軍用嵌入式計(jì)算機(jī)的主流技術(shù)，但可移植性差、帶寬冗余過(guò)多，短期內(nèi)不會(huì)取代1553B總線(xiàn)。

    嵌入式計(jì)算機(jī)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，往往被固化。操作系統(tǒng)主要有VRTX、PSOS、Vx Works、Lynxos、QNX和Linux等。其中，Linux具有內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、易于定制、硬件支持廣泛、采用開(kāi)放源代碼，可為以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)等多種聯(lián)網(wǎng)方式提供支持等優(yōu)點(diǎn)，自1998年推出以來(lái)一直受到軍方的高度關(guān)注。

美軍軍用嵌入式計(jì)算機(jī)的發(fā)展

    從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美軍率先為武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的嵌入式計(jì)算機(jī)。到80年代，其先進(jìn)的武器系統(tǒng)（如雷達(dá)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等）基本裝備了嵌入式計(jì)算機(jī)。如AN/UYK-43嵌入式戰(zhàn)術(shù)計(jì)算機(jī)，主要用于“宙斯盾”系統(tǒng)、先進(jìn)作戰(zhàn)指導(dǎo)系統(tǒng)（ACDS）等艦載戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)，以及“三叉戟”潛艇、多用途兩棲攻擊艦等平臺(tái)。此外，武器測(cè)試設(shè)備、訓(xùn)練模擬系統(tǒng)、后勤信息化系統(tǒng)也開(kāi)始采用嵌入式計(jì)算機(jī)。80年代后，美軍各軍種紛紛提出軍用嵌入式計(jì)算機(jī)計(jì)劃，如陸軍“空地一體化指揮控制計(jì)算機(jī)”、海軍“E-2C飛機(jī)預(yù)警系統(tǒng)計(jì)算機(jī)”以及空軍“HAWK-32計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)劃”等等。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美軍鞏固了在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，拉大了與其他國(guó)家在技術(shù)上的差距。近幾年，由于嵌入式計(jì)算機(jī)的發(fā)展已基本成熟，各軍種已不再制定專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，但新型武器的研制以及現(xiàn)有武器的改造都會(huì)涉及到嵌入式計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)。美軍嵌入式計(jì)算機(jī)的發(fā)展中，有很多值得參考的經(jīng)驗(yàn)：
    規(guī)范指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    研制嵌入式計(jì)算機(jī)之初，美軍各軍種往往分別研制適合自身需求的計(jì)算機(jī)，造成各軍種間計(jì)算機(jī)的硬件和軟件“煙囪”式發(fā)展，品種型號(hào)繁多、兼容性差、沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。60年代末，美軍為軍用嵌入式計(jì)算機(jī)確定了指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，描述了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、規(guī)定了接口標(biāo)準(zhǔn)，大大減少了硬件和軟件和種類(lèi)，降低了使用多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言而引起的軟件研制、移植等諸多問(wèn)題。

    倡導(dǎo)、普及Ada語(yǔ)言
    Ada語(yǔ)言是美國(guó)國(guó)防部于1979年提出的一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。此前各軍種使用不同的編程語(yǔ)言（如空軍使用JOVLAL語(yǔ)言、陸軍使用NEBULA語(yǔ)言、海軍使用CM2語(yǔ)言），使得軟件的可移植性、兼容性大大降低。美國(guó)防部和總審計(jì)局于80年代指定Ada語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)嵌入式計(jì)算機(jī)軟件的唯一編程語(yǔ)言，廠(chǎng)商若不用Ada編譯程序就不能參加軍用計(jì)算機(jī)合同的競(jìng)標(biāo)。90年代中期，美國(guó)調(diào)整了采辦政策，不再?gòu)?qiáng)制使用Ada語(yǔ)言，C++、Java等語(yǔ)言逐漸用于嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。雖然Ada語(yǔ)言不再是國(guó)防部唯一指定的嵌入式計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，但由于它并行處理功能強(qiáng)、便于使用，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已成為通用的編程語(yǔ)言，美軍和北約多有使用，如“阿特拉斯V”火箭軟件管理系統(tǒng)和“聯(lián)合防區(qū)外武器”的核心制導(dǎo)電子單元的軟件編程都使用了Ada語(yǔ)言。

    采用商用技術(shù)和開(kāi)放結(jié)構(gòu)
    過(guò)去，美國(guó)軍用計(jì)算機(jī)一直由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)商按軍用規(guī)格研制，對(duì)環(huán)境要求特別苛刻，價(jià)格一般是商用計(jì)算機(jī)的2倍以上。90年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，商用計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊等加固后，一般都能夠滿(mǎn)足軍方需求。因此，1994年，美國(guó)防部部長(zhǎng)佩里提出了采用商用技術(shù)和產(chǎn)品的倡議。這樣，在引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，可以降低產(chǎn)品價(jià)格、縮短研制周期?，F(xiàn)在美軍新研制的嵌入式計(jì)算機(jī)已廣泛使用了現(xiàn)成的商用產(chǎn)品，并采用開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，在芯片、總線(xiàn)和操作系統(tǒng)選擇上遵循開(kāi)放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，以提高計(jì)算機(jī)的互聯(lián)、互通、互操作性，使之易于升級(jí)。軍用嵌入式計(jì)算機(jī)的未來(lái)：

    一是高性能、小體積、輕型化。隨著美軍的轉(zhuǎn)型，其武器裝備必然會(huì)更趨輕型化、微型化，更易于部署。因此，嵌入式計(jì)算機(jī)所能利用的空間將非常有限，必須要減小體積、減輕重量，同時(shí)不斷提高性能。為此，超高速微處理機(jī)的電路板設(shè)計(jì)、高可靠/高組裝密度通用模塊的設(shè)計(jì)與組裝、人工智能、并行處理等關(guān)鍵技術(shù)正在開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)級(jí)芯片可以在單片上實(shí)現(xiàn)全電子系統(tǒng)的集成，是未來(lái)嵌入式計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

    二是網(wǎng)絡(luò)化。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是網(wǎng)絡(luò)化的戰(zhàn)爭(zhēng)，嵌入式計(jì)算機(jī)將作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)揮作用。分布式的嵌入式計(jì)算機(jī)通過(guò)通信手段聯(lián)網(wǎng)后，在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、環(huán)境監(jiān)控、人員與裝備定位、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控、醫(yī)療保障、信息訪(fǎng)問(wèn)及部隊(duì)防護(hù)等諸多方面，都比目前計(jì)算機(jī)的功能更強(qiáng)大。

    三是智能化。如美軍積極推廣的軍隊(duì)通用訪(fǎng)問(wèn)卡，就是使用嵌入式計(jì)算機(jī)芯片的智能識(shí)別卡，能夠?qū)υL(fǎng)問(wèn)軍用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的人員進(jìn)行識(shí)別和授權(quán)。

    四是軟件功能強(qiáng)大。“嵌入式”計(jì)算機(jī)的軟件功能將越來(lái)越強(qiáng)大，更多的功能將通過(guò)軟件而不是硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。