嵌入式計算機的來(lái)龍去脈

    電子計算機的傳統分類(lèi)方法，是按照體系結構、運算速度、系統規模和適用領(lǐng)域分為大型、中型、小型和微型。這種計算機分類(lèi)方法沿襲了約40多年。近些年來(lái)，隨著(zhù)半導體、微電子和計算機等技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應用，現代計算機面向應用出現了兩大分支：實(shí)現智能化控制的嵌入式計算機系統，以及進(jìn)行高速、海量數值計算的通用計算機系統，并據此將計算機分為嵌入式計算機和通用計算機兩大類(lèi)。二者的技術(shù)發(fā)展方向不同：前者注重與對象系統密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力及可靠性；而后者注重運算速度的提升和存儲容量的擴大。

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

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

嵌入式計算機的特點(diǎn)

    基本特點(diǎn)
    作為一種嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機系統，“嵌入”、“專(zhuān)用”和“計算機”是嵌入式計算機的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)足嵌入對象的要求，如物理環(huán)境（小型）、作戰環(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)足對象要求的最小配置；嵌入式計算機必須是能滿(mǎn)足對象系統控制要求的計算機系統。

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

    ⑵實(shí)時(shí)性強。嵌入式計算機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。嵌入式計算機大量用于空間、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，在星載計算機中要自主工作多年。因此對可靠性的要求極高。

    ⑷模塊化設計。采用商用現貨、相互使用和重復使用的硬件和軟件模塊，可大大降低成本，提高系統性能。新的嵌入式計算機大多采用整體式模塊設計方式。

    應用特點(diǎn)
    嵌入式計算機針對特定對象的應用特點(diǎn)，要求計算機開(kāi)發(fā)人員了解對象系統的控制要求，介入體系結構、軟件技術(shù)、工程應用方面的研究。嵌入式計算機在軍事領(lǐng)域的應用中，形成了兩種并存的、相互補充的應用模式：①電子技術(shù)工程師以自己的應用習慣開(kāi)發(fā)單片機，特點(diǎn)是軟、硬件的底層性和隨意性，以及與對象系統的密切相關(guān)性，但缺少計算機工程設計方法。②計算機專(zhuān)業(yè)人士介入，帶有明顯的計算機工程應用特點(diǎn)，軟、硬件平臺基于嵌入式系統，結合網(wǎng)絡(luò )、通信等非嵌入式底層應用。

嵌入式計算機的構成

    嵌入式計算機通常由“嵌入式”微處理器、相關(guān)的硬件設備（如內部總線(xiàn)、接口以及外部總線(xiàn)）以及“嵌入式”軟件系統三個(gè)主要部分組成。

    微處理器是嵌入式計算機的核心，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(zhù)絕緣體硅（SOI）、銅布線(xiàn)等新工藝、新技術(shù)的出現，微處理器的功能大大增強。嵌入式微處理器通常采用指令和數據分開(kāi)存儲的準Harvard存儲器結構，以及指令集設計（SISC）指令組織結構。

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

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

    嵌入式計算機軟件包括系統軟件和應用軟件，往往被固化。操作系統主要有VRTX、PSOS、Vx Works、Lynxos、QNX和Linux等。其中，Linux具有內核小、功能強大、運行穩定、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。

美軍軍用嵌入式計算機的發(fā)展

    從20世紀60年代開(kāi)始，美軍率先為武器系統設計各種類(lèi)型的嵌入式計算機。到80年代，其先進(jìn)的武器系統（如雷達、衛星、導彈、制導炸彈等）基本裝備了嵌入式計算機。如AN/UYK-43嵌入式戰術(shù)計算機，主要用于“宙斯盾”系統、先進(jìn)作戰指導系統（ACDS）等艦載戰術(shù)系統，以及“三叉戟”潛艇、多用途兩棲攻擊艦等平臺。此外，武器測試設備、訓練模擬系統、后勤信息化系統也開(kāi)始采用嵌入式計算機。80年代后，美軍各軍種紛紛提出軍用嵌入式計算機計劃，如陸軍“空地一體化指揮控制計算機”、海軍“E-2C飛機預警系統計算機”以及空軍“HAWK-32計算機技術(shù)計劃”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)勢地位，拉大了與其他國家在技術(shù)上的差距。近幾年，由于嵌入式計算機的發(fā)展已基本成熟，各軍種已不再制定專(zhuān)項計劃，但新型武器的研制以及現有武器的改造都會(huì )涉及到嵌入式計算機的開(kāi)發(fā)與升級。美軍嵌入式計算機的發(fā)展中，有很多值得參考的經(jīng)驗：
    規范指令系統結構
    研制嵌入式計算機之初，美軍各軍種往往分別研制適合自身需求的計算機，造成各軍種間計算機的硬件和軟件“煙囪”式發(fā)展，品種型號繁多、兼容性差、沒(méi)有統一的標準。60年代末，美軍為軍用嵌入式計算機確定了指令系統結構標準，描述了計算機結構、規定了接口標準，大大減少了硬件和軟件和種類(lèi)，降低了使用多種計算機語(yǔ)言而引起的軟件研制、移植等諸多問(wèn)題。

    倡導、普及Ada語(yǔ)言
    Ada語(yǔ)言是美國國防部于1979年提出的一種結構化程序設計語(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。美國防部和總審計局于80年代指定Ada語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)嵌入式計算機軟件的唯一編程語(yǔ)言，廠(chǎng)商若不用Ada編譯程序就不能參加軍用計算機合同的競標。90年代中期，美國調整了采辦政策，不再強制使用Ada語(yǔ)言，C++、Java等語(yǔ)言逐漸用于嵌入式計算機領(lǐng)域。雖然Ada語(yǔ)言不再是國防部唯一指定的嵌入式計算機編程語(yǔ)言，但由于它并行處理功能強、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”火箭軟件管理系統和“聯(lián)合防區外武器”的核心制導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)放結構
    過(guò)去，美國軍用計算機一直由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)商按軍用規格研制，對環(huán)境要求特別苛刻，價(jià)格一般是商用計算機的2倍以上。90年代后，隨著(zhù)計算機技術(shù)的快速發(fā)展，商用計算機經(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，美國防部部長(cháng)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在美軍新研制的嵌入式計算機已廣泛使用了現成的商用產(chǎn)品，并采用開(kāi)放式的體系結構，在芯片、總線(xiàn)和操作系統選擇上遵循開(kāi)放系統標準，以提高計算機的互聯(lián)、互通、互操作性，使之易于升級。軍用嵌入式計算機的未來(lái)：

    一是高性能、小體積、輕型化。隨著(zhù)美軍的轉型，其武器裝備必然會(huì )更趨輕型化、微型化，更易于部署。因此，嵌入式計算機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，超高速微處理機的電路板設計、高可靠/高組裝密度通用模塊的設計與組裝、人工智能、并行處理等關(guān)鍵技術(shù)正在開(kāi)發(fā)。系統級芯片可以在單片上實(shí)現全電子系統的集成，是未來(lái)嵌入式計算機的基礎。

    二是網(wǎng)絡(luò )化。未來(lái)戰爭是網(wǎng)絡(luò )化的戰爭，嵌入式計算機將作為網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)來(lái)發(fā)揮作用。分布式的嵌入式計算機通過(guò)通信手段聯(lián)網(wǎng)后，在戰場(chǎng)偵察、環(huán)境監控、人員與裝備定位、戰場(chǎng)監控、醫療保障、信息訪(fǎng)問(wèn)及部隊防護等諸多方面，都比目前計算機的功能更強大。

    三是智能化。如美軍積極推廣的軍隊通用訪(fǎng)問(wèn)卡，就是使用嵌入式計算機芯片的智能識別卡，能夠對訪(fǎng)問(wèn)軍用計算機網(wǎng)絡(luò )和系統的人員進(jìn)行識別和授權。

    四是軟件功能強大?！扒度胧健庇嬎銠C的軟件功能將越來(lái)越強大，更多的功能將通過(guò)軟件而不是硬件來(lái)實(shí)現。