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單片機、嵌入式和X86

單片機、嵌入式和X86

2012/9/12 10:56:36
在工業(yè)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??墒?,成本還要包括硬件的系統(tǒng)集成(包括電源、外設),軟件(系統(tǒng)和應用軟件)。這樣算,就要找現成的開發(fā)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(fā)平臺。接著,又做了配套的軟件:監(jiān)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(tǒng)不同)之上,規(guī)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(tǒng)RTOS,以及應用程序接口API,來支持用戶的開發(fā)。人們把ARM看作手臂,幫助較快實現新產品的研發(fā)。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(yè)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)的時間;最好的是母機本身就是一個仿真系統(tǒng),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(tǒng),在工業(yè)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(tǒng)的原料配料計算機控制系統(tǒng)(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(tǒng),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(yè)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(yè)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(fā)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(tǒng)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(yè)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(tǒng),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(yè)級的板卡,在穩(wěn)定性和抗干擾方面,由專門做工業(yè)級板卡廠商的正規(guī)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(tǒng)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(fā)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(tǒng),說白了,就是充分利用PC的資源優(yōu)勢做開發(fā)、做移交、做服務。所以,在項目和工程的研發(fā)上,可以選擇X86的系統(tǒng)。人們以為X86就是Intel的CPU,其實,還有AMD、VIA(威盛,包括他合并的IDT),去年,我曾經測試了一個磐儀用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(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。
用于工業(yè)控制項目的研發(fā)周期,對于研發(fā)人員的門檻高低,都關系到產品的成本。所以,應當考慮支持它的平臺資源是否多。而且,要易于上手,今后方便交接給最終用戶去維護,X86真的是一種便捷的方案。
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