嵌入式：后PC时代的技术主力

作者：美 Brian Kronstad  

有这样一种讲法，如果以公元2000年作为科技史的一个分水岭，那么公元2000年之前可以称之为“PC”（Personal Computer）时代；而公元2000年之后则被称为“后PC”（Post-Personal Computer）时代。在PC时代，人类从最早的电子计算机、大型计算机等原始科技开始发展，直到今日人人耳熟能详的WinTel（Windows&Intel）世界，世界范围内的各电子厂商莫不以微软（Microsoft）和英特尔（Intel）公司的系统标准为设计制造的平台，投入大量人力、财力资源，致力于对PC系统的升级改进。后PC时代，这一格局都将改变。 

　　嵌入式：后PC时代的技术主力 

　　伴随着上世纪九十年代末计算机网络的成熟发展，到二十一世纪，人类进入了所谓的后PC时代。在这一阶段，人们开始考虑如何将客户终端设备变得更加智能化、数字化，从而使得改进后的客户终端设备轻巧便利、易于控制或具有某些特定的功能。为了实现人们在后PC时代对客户终端设备提出的新要求，嵌入式技术（Embedded Technology）提供了一种灵活、高效和高性价比的解决方案。伴随信息技术与网络技术的高速发展，嵌入式技术已被广泛地应用于科学研究、工程设计、军事技术以及文艺商业等方方面面，成为后PC时代IT领域发展的主力军。 

　　嵌入式系统（Embedded System），简单来讲，是一种用于控制、监测或协助特定机器和设备正常运转的计算机。它通常由3个部份组成：嵌入式处理器，相关的硬件支持设备，以及嵌入式软件系统。其中，嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。按照功能和用途划分，它可以进一步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）、嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor）和嵌入式数字信号处理器（Embedded DigitalSignalProcessor）。 

　　嵌入式系统这一概念实际上很久以前就已经存在了。早在上世纪六十年代，它就被用于对电话交换进行控制，当时被称为“存储式过程控制系统”（Stored Program Control System）。真正意义上的嵌入式系统是在上世纪七十年代出现的，发展至今已经有30多年的历史，它大致经历了以下4个发展阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。这一类型的系统大部分用于专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。这一阶段系统主要的特点是：结构和功能相对单一、效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格便宜，以往在工业领域中应用较为普遍。但是，它们已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和后PC时代新兴的信息家电等领域的要求。第二阶段是以嵌入式中央处理器（CPU）为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多、通用性较弱、系统开销小、操作系统只具有低度的兼容性和扩展性、应用软件较为专业、用户界面不够友好。这种嵌入式系统的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的运行。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上、操作系统内核精小、效率高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络操作、具有图形窗口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口、开发程序简单、并且嵌入式应用软件丰富。然而，在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。第四阶段是以基于网络操作为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支持网络功能的嵌入式系统，所以在嵌入式系统中使用网络操作系统将成为今后的发展趋势。 

　　嵌入式系统的技术前景 

　　在嵌入式系统发展的初期，还没有出现操作系统的概念，大部份的功能是用汇编语言来实现的。由于这些汇编程序只能用于某一种特定的处理器，所以这种嵌入式系统的兼容性、通用性和可扩展性都很差。C语言的出现使得嵌入式操作系统的开发变得简单、便捷和可靠。所以，自从上个世纪八十年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，逐步形成了百家争鸣的局面，较为流行有VxWorks、pSOS、Neculeus、WindowsCE等等。Linux这种开放式的网络操作系统的出现和成功将嵌入式系统的发展带入了一个新的阶段。将Linux作为嵌入式操作系统具有多种优势和广泛的应用前景，这一点已经得到了业内人士的普遍认同。具体来说，这些优势主要包括以下几点： 

　　首先，Linux系统稳定、功能强大、支持多种硬件平台，并且简单易用。它是一个完全独立的操作系统，可以非常稳定地运行在许多不同体系结构的处理器之上。此外，Linux可以说是个很小的系统，启动时只需要运行不到500K字节的程序代码。而且，支持Linux的应用软件为多，许多著名的商业软件都有支持Linux系统的版本。 

　　第二，Linux的使用成本低。几乎所有的商业操作系统，如Microsoft公司的Windows98/NT系列，都需要用户支付相当数量的版权费用。因此，基于这些操作系统的应用软件往往都价格不菲。而Linux是免费软件，从而极大地降低了应用软件的开发成本。这项优势是其它商用操作系统所无法比拟的。 

　　第三，文档完善。Linux有丰富的文档支持，从为初学者准备的各种教程到非常详细的联机帮助文档都非常完备。而且，由于Linux是互联网充分发展的产物，有许多关于Linux的文档可以在Internet上找到和自由下载。 

　　第四，具有强大的网络功能。Linux操作系统最突出的就是网络部份，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在Linux中找到。Linux内核可以高效地处理网络协议，系统的网络吞吐性能非常好。 

　　第五，Linux不是某个公司的私有财产，它是个开放的软件，免费而且源代码公开。随着Linux在这几年不断地发展成熟，越来越多的人加入到Linux的行列，为Linux提供服务的公司也开始出现，为客户提供专业化的技术支持。 

　　三大难题逐一解决标志新时代开启 

　　上世纪九十年代初期，摩托罗拉公司（Motorola）与IBM合作，为了扶持苹果计算机与微软竞争，投入大量资金，共同开发出新的CPU架构，为了显示其强大功能称之为PowerPC。这个CPU在设计特性上更强调低耗电、非桌面功能、兼容多种操作系统，而第一颗芯片“PowerPC601”于1992年面世。尽管在与Intel的竞争中未如人意，但由于它这些特性却为通用型嵌入式CPU的架构奠定了良好的基础。到了1995年，两家巨无霸公司更筑建了PowerPC向嵌入式通用性CPU架构的发展方向，希望抢先强占嵌入式通用型微处理器市场的意图日益明显。IBM虽看到通用型嵌入式系统的未来潜力，纵然时机未到，亦可以与Intel的X86CPU在PC市场一争长短，可惜其OS2与微软窗口系统抗争的结局一样，也是英雄末路。 

　　尽管IBM的PowerPC在PC市场与Intel的竞争中不如人意，但是却在一些嵌入式产品领域初露锋芒。例如机顶盒、数码打印机、移动型网络信息工具和Sony的玩具狗等。但是在上世纪九十年代，对PowerPC一直困扰和挥之不去的，就是嵌入式系统技术的真正产品对象、市场位置应在哪里等问题都毫无头绪，更遑论软件系统和零配件难以配套这个更大问题了，因此PowerPC的发展始终形成不了规模。此外，还引发出与各类应用易于组合的嵌入式通用操作系统内核(Kernel)应是怎样、如何建立全面的嵌入式系统零部件配套标准和体系等等问题。当然，在2001年之前谈论这些配套问题尚属过早。 

　　但是PowerPC的出现，标志沿通用性方向发展的嵌入式系统技术在硬件核心CPU架构方面取得突破性的进展。业界普遍认同PowerPC CPU在通用性方面，是嵌入式系统技术硬件核心的典范。Midori Linux嵌入式系统内核（kernel）的出现，标志着通用性嵌入式系统技术在硬件和软件结合上趋于成熟。1995年美国全美达公司（Transmeta）的创办人开始设想﹐如果将软件嵌入到CPU的指令区域﹐则CPU不但可以省电﹐还可以达成不同应用功能的需求设计。但这需要一个轻巧、适合各种应用的操作系统内核来配合。于是他们1998年邀请自由开放软件Linux的创办人Linus Trovalds来完成这个艰巨的任务。 与此同时，Linus Trovalds在倡导自由开放软件Linux与微软抗争将近十年的历程中亦开始明白，Linux系统的广阔天地并不在PC的桌面市场，而它的优势恰恰在嵌入式系统技术方面。 

　　2001年3月Midori Linux终于发表﹐并迅即受到国际社会的一致推崇和赞扬。Midori Linux的出现，使嵌入式系统软件与硬件在内核（Kernel）的层面上结合起来。Midori Linux在全球嵌入式Linux操作平台上具举足轻重的地位，能使各类嵌入式产品能按个别要求自由拆合和扩展。由于内核完全开放，大大促进嵌入式Linux软件的开发和应用，是智能家电产品迈向计算机化、信息化、轻盈化的重要基石。美国芝加哥大学等多家大学曾对全球Linux系统进行测评，认为Midori Linux在嵌入式系统领域上、系统内核扩展性能方面具有领先地位。 

　　2001年Midori Linux的发表，标志着嵌入式系统技术在通用性、扩展性等各方面﹐以及从硬件核心CPU的架构及软件操作系统内核的合成上的发展趋于成熟。PowerPC建成了硬件通用性嵌入式CPU架构基础，而Midori Linux则建成了软件通用性嵌入式系统内核（kernel）的基础。尽管在当时两个最优秀的嵌入式核心技术还没有结合。 

　　中国应用成为突破关键 

　　近年来，国际科技界开始将目光转向中国。业界普遍认同了嵌入式通用技术若能与中国巨大的家电市场和生产行业结合，成为改良中国传统家电为信息家电的利器，嵌入式通用技术才能真正在IT领域领先PC技术。然而，嵌入式技术要广泛应用到中国的家电业，却面对一个更大的难题，就是中文处理。 

　　嵌入式中文CPU处理技术是将嵌入式通用软硬件技术与中国家电产业结合的关键技术。中国文字是一种特殊的象形和记忆文字。而传统的文字处理方法大都采用一种记忆技术在软件上处理，这种方法缺乏效率，导致中文计算机往往背负沉重的“字形包袱”﹐不但引致嵌入式系统技术在工业应用上的严重瓶颈﹐而且使中文处理成为世界上最昂贵的处理技术。若中国文字处理技术不能转化成CPU的运算技术，最先进的嵌入式通用技术，根本无法在中国信息家电行业发挥作用，也根本不可能开创新的信息家电计算机工业标准。 

　　由于中文是一种记忆文字，中文在PC架构下，必须使用海量存储器和以外挂字库形式来处理，此外中文在两岸三地的交流没一天真正统一过。以往的中文处理技术零到中国的文化交流在资讯处理层面跳不出硬盘，从而也飞不出PC工业体系的束缚，这正是中文信息无法产生独立、特定的工业系统标准的主要原因。香港文化传信集团副主席朱邦复先生一生致力中文处理的研发。它历史性的贡献是在大量研究中国文史资料的基础上，化繁为简，提炼出中文的处理基因。它对中国文字的整理功夫，其难苦卓绝之情境是可以想象，由此亦令这一代人钦佩神往。从技术角度来说，他把中国的文字完全变成嵌入式技术的文字，把中文记忆指令，转化成CPU的运算指令，令人难以置信地使中文字能从CPU直接释放出来，这是在文字处理的嵌入式技术上全球独一无二的领先优势，在嵌入式领域上具有极大的历史意义和成就。中国自主的嵌入式家庭应用型电器计算机（Embedded Functional Computing Devices）工业标准诞生2002年。香港文化传信公司与IBM达成协议，取得IBM的授权，将嵌入式中文技术与PowerPC嵌入式CPU架构结合。经过一年多的时间，终于在2003年3月完成了全球第一颗嵌入式中文CPU，称为飞龙CPU，从而完成了嵌入式系统技术的硬件核心。 

　　经过长达一年多的磋商，Transmeta的管理层终于认识到嵌入式通用技术的产品对象，就是中国庞大的家电消费市场和其廉价的工业资源。综观全球家电产业的现状，巨大的消费潜力和工业资源在中国。中国拥有全世界羡慕的家电市场不断成长的需求动力和廉价零配件工业资源。2003年7月，文化传信与Transmeta达成协议，并对全球宣布，与Transmeta合作，取得Midori Linux的控制、管理和经营权，针对中国家电产品的改造，发展Midori嵌入式通用软件内核。这一事件在美国引发了一股波澜，业界难以置信这个最优秀的嵌入式系统内核竟为中国的公司所控制。 

　　2003年，在嵌入式通用技术领域，出现了一个具有重大历史意义的结合，就是文化传信的嵌入式CPU中文技术、Midori Linux的嵌入式通用内核和IBM的PowerPC嵌入式通用硬件核心的三边结合。这构成了为未来信息家电产业核心技术的架构，这表明了新计算机产业标准的核心，终于在东方中国诞生。 

　　这个结合，不单是真正形成了新工业的核心技术，更重要的是它预示了一个新计算机工业及新零部件整合标准即将诞生。我们有理由相信，这个核心的结合才能完全摆脱WintelX86架构的束缚，真正使计算机腾飞，真正使计算机进入普及阶段，成为普通百姓的日常生活工具。计算机“无处不在，无时不有”的时代终于来临了。 

　　（作者为美国著名计算机科学家、现任全美最大健康机构Kaiser Permanente首席计算机科学主管）