單片機(jī)、嵌入式和X86
2012/9/12 10:56:36
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)磐儀用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。
用于工業(yè)控制項(xiàng)目的研發(fā)周期,對(duì)于研發(fā)人員的門檻高低,都關(guān)系到產(chǎn)品的成本。所以,應(yīng)當(dāng)考慮支持它的平臺(tái)資源是否多。而且,要易于上手,今后方便交接給最終用戶去維護(hù),X86真的是一種便捷的方案。
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)磐儀用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。
用于工業(yè)控制項(xiàng)目的研發(fā)周期,對(duì)于研發(fā)人員的門檻高低,都關(guān)系到產(chǎn)品的成本。所以,應(yīng)當(dāng)考慮支持它的平臺(tái)資源是否多。而且,要易于上手,今后方便交接給最終用戶去維護(hù),X86真的是一種便捷的方案。

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