Historia del desarrollo de la tecnología informática moderna
(1) Las aplicaciones integradas comenzaron en la era de las microcomputadoras
Las computadoras digitales electrónicas nacieron en 1946. En el largo proceso histórico transcurrido desde entonces, las computadoras han sido equipos grandes y costosos que implementan cálculos numéricos en salas de computación especiales. No fue hasta la llegada de los microprocesadores en la década de 1970 que las computadoras experimentaron cambios históricos. Las microcomputadoras basadas en microprocesadores están saliendo rápidamente de las salas de computación debido a su pequeño tamaño, bajo precio y alta confiabilidad. Las microcomputadoras basadas en capacidades de computación numérica de alta velocidad han despertado el interés de los profesionales del control, lo que requiere que las microcomputadoras se integren en sistemas de objetos para lograr un control inteligente de los sistemas de objetos. Por ejemplo, una microcomputadora se mejora eléctrica y mecánicamente, se equipa con varios circuitos de interfaz periféricos y se instala en un barco grande para formar un piloto automático o un sistema de monitoreo del estado del motor marino. De esta forma, la computadora pierde su forma original y sus funciones generales. Para distinguirlo del sistema informático de propósito general original, la computadora está integrada en el sistema de objetos para realizar un control inteligente del sistema de objetos, lo que se denomina sistema informático integrado. Por lo tanto, los sistemas integrados nacieron en la era de las microcomputadoras. La naturaleza integrada de los sistemas integrados es integrar una computadora en un sistema de objetos. Estos son los puntos de partida básicos para comprender los sistemas integrados.
(2) Dos ramas de la tecnología informática moderna.
Debido a que los sistemas informáticos integrados deben integrarse en sistemas de objetos para lograr un control inteligente de los objetos, tienen requisitos técnicos y direcciones de desarrollo completamente diferentes a los de los sistemas informáticos generales.
Los requisitos técnicos de los sistemas informáticos generales son cálculos numéricos masivos y de alta velocidad; la dirección del desarrollo de la tecnología es la mejora infinita de la velocidad del autobús y la expansión infinita de la capacidad de almacenamiento. El requisito técnico del sistema informático integrado es la capacidad de control inteligente del objeto; la dirección de desarrollo de la tecnología es el rendimiento integrado, la capacidad de control y la confiabilidad del control que están estrechamente relacionados con el sistema del objeto.
Al principio, los sistemas informáticos generales se adaptaban a regañadientes para aplicaciones integradas en dispositivos grandes. Sin embargo, para muchos sistemas de objetos (como electrodomésticos, instrumentación, unidades de control industrial, etc.), es imposible integrar sistemas informáticos de uso general, y las direcciones de desarrollo técnico de los sistemas integrados y los sistemas informáticos de uso general son completamente diferentes. . Por lo tanto, es necesario desarrollar por separado los sistemas informáticos generales y los sistemas informáticos integrados, que han formado dos ramas del desarrollo de la tecnología informática moderna.
Si la aparición de las microcomputadoras ha llevado a las computadoras a la etapa de desarrollo informático moderno, entonces el nacimiento de los sistemas informáticos integrados ha marcado la entrada de las computadoras en una era de desarrollo paralelo de los sistemas informáticos generales y los sistemas informáticos integrados. , lo que llevó al período de rápido desarrollo de las computadoras a finales del siglo XX.
(3) Hitos en el desarrollo de las dos ramas
El desarrollo especializado entre los sistemas informáticos generales y los sistemas informáticos integrados condujo al rápido desarrollo de la tecnología informática a finales del siglo XX. siglo y principios del siglo XX. El campo de la informática se centra en el desarrollo de tecnologías de software y hardware para sistemas informáticos de uso general, independientemente de los requisitos de las aplicaciones integradas. Los microprocesadores de uso general están cambiando rápidamente de las series 286, 386 y 486 a los sistemas operativos Pentium; archivos basados en datos masivos y de alta velocidad han llevado los sistemas informáticos generales a un nivel de perfección.
Los sistemas informáticos integrados se han embarcado en un camino completamente diferente, que es el camino del desarrollo de un solo chip. Movilizó a fabricantes y profesionales originales en el campo de los sistemas electrónicos tradicionales, se hizo cargo de los sistemas integrados que se originaron en el campo de la informática, asumió la tarea histórica de desarrollar y popularizar los sistemas integrados y permitió que los sistemas electrónicos tradicionales se convirtieran rápidamente en sistemas electrónicos modernos e inteligentes. . era.
Por lo tanto, el hito de las dos ramas principales del desarrollo de la tecnología informática moderna es que no sólo formaron una división especializada del trabajo en el desarrollo informático, sino que también extendieron la tarea de desarrollar la tecnología informática a la electrónica tradicional. En el campo del sistema, la fabricación de computadoras se ha convertido en una herramienta poderosa para que la sociedad humana ingrese a la era de la inteligencia integral.
Estado
1 El significado y clasificación de los sistemas integrados
Los sistemas integrados se refieren a la personalización de software y hardware centrada en aplicaciones y basada en tecnología informática. Sistema informático que cumple con los estrictos requisitos de los sistemas de aplicación en cuanto a función, confiabilidad, costo, volumen, consumo de energía, etc.
El sistema integrado es el producto de combinar tecnología informática avanzada, tecnología de semiconductores y tecnología electrónica con aplicaciones específicas en diversas industrias, lo que determina que debe ser un sistema intensivo en tecnología, intensivo en capital, altamente disperso e innovador. . Sistema de integración de conocimientos.
Actualmente, además de algunos procesadores de 32 bits, existe una gran cantidad de microcontroladores integrados (MCU) de 8 y 16 bits en los sistemas integrados. Los sistemas integrados son otra forma de aplicaciones informáticas, que se diferencian de las aplicaciones informáticas generales mencionadas anteriormente: las computadoras integradas son software y hardware altamente especializados ocultos en diversos dispositivos, productos y sistemas en forma de determinados sistemas informáticos. En la actualidad, según su estado de desarrollo, las computadoras integradas se pueden dividir en las siguientes categorías:
(1) Unidad de microprocesador integrado (Empu)
Los microprocesadores integrados se basan en computadoras de propósito general. CPU de computadoras en . En términos de aplicación, el microprocesador se ensambla en una placa de circuito especialmente diseñada, conservando sólo las funciones de la placa base relacionadas con las aplicaciones integradas, lo que puede reducir en gran medida el volumen del sistema y el consumo de energía. Para cumplir con los requisitos especiales de las aplicaciones integradas, aunque los microprocesadores integrados son básicamente los mismos que los microprocesadores estándar en términos de funcionalidad, generalmente se mejoran en términos de temperatura de funcionamiento, inmunidad a interferencias electromagnéticas y confiabilidad.
(2) Unidad de microcontrolador integrado (MCU)
El microcontrolador integrado también se denomina microcontrolador. Los microcontroladores integrados generalmente tienen un núcleo de microprocesador como núcleo, y el chip integra ROMPEPROM, RAM, bus, lógica de bus, contador P de sincronización, vigilancia, IPO, puerto serie, salida de modulación de ancho de pulso, APD, DPA, Flash RAM, E2PROM y otros. funciones y periféricos necesarios. Para satisfacer las diferentes necesidades de las aplicaciones, una serie de microcontroladores generalmente tienen múltiples derivados. El núcleo del procesador de cada derivado es el mismo y la única diferencia es la configuración y el empaquetado de la memoria y los periféricos. Esto permite que el microcontrolador cumpla con los requisitos de la aplicación en la mayor medida posible sin agregar más funciones, lo que reduce el consumo de energía y el costo. En comparación con los microprocesadores integrados, la característica más importante de los microcontroladores es que son monolíticos y su tamaño se reduce considerablemente, lo que reduce el consumo de energía y los costos y mejora la confiabilidad.
(3) Procesador de señal digital incorporado (EDSP).
El procesador DSP tiene una estructura de sistema e instrucciones especialmente diseñadas para que sea adecuado para ejecutar algoritmos DSP, con alta eficiencia de compilación y rápida velocidad de ejecución de instrucciones. En términos de filtrado digital, FFT, análisis de espectro, etc., los algoritmos DSP están ingresando a una gran cantidad de campos integrados, y la aplicación de DSP está pasando del uso de instrucciones ordinarias para implementar funciones DSP en microcontroladores de uso general al uso de procesadores DSP integrados. .
(4) Sistema integrado en chip.
Con la popularidad del EDI, la popularidad del diseño VLSI y el rápido desarrollo de la tecnología de semiconductores, ha llegado la era de implementar sistemas más complejos en un chip de silicio. Este es el sistema en un chip (SOC). . Varios núcleos de procesador de uso general servirán como biblioteca estándar para las empresas de diseño de SOC. Al igual que muchos otros periféricos de sistemas integrados, se convertirán en dispositivos estándar en diseño VLSI, descritos en VHDL estándar y almacenados en la biblioteca del dispositivo. Los usuarios solo necesitan definir todo su sistema de aplicación. Una vez completada la simulación, pueden enviar los dibujos de diseño a la fábrica de semiconductores para la elaboración de muestras. De esta manera, excepto unos pocos dispositivos que no se pueden integrar, la mayor parte del sistema integrado se puede integrar en uno o varios chips. La placa de circuito del sistema de aplicación será muy simple, lo cual es muy importante para reducir el volumen y el consumo de energía. mejorando la confiabilidad favorable.
2 Características de la industria de sistemas integrados
(1) La industria de sistemas integrados es una industria altamente fragmentada y no puede ser monopolizada.
En cierto sentido, la tecnología de la industria informática en general es un monopolio. La industria de las PC representa el 90% de toda la industria informática, el 80% de la cual utiliza la arquitectura Intel 8x86 y los chips son básicamente de Intel, AMD, Cyrix y otras empresas.
Entre los sistemas operativos y procesadores de texto necesarios para casi todas las computadoras, Windows y Word de Microsoft representan entre el 80 y el 90%, y otras aplicaciones pueden igualar el sistema operativo. Por lo tanto, se considera que la base de la industria informática de propósito general contemporánea es la industria monopolizada por Wintel (una alianza establecida por Microsoft e Intel a principios de los años 1990).
Los sistemas integrados son diferentes. Esta es una industria fragmentada llena de competencia, oportunidades e innovación. Ninguna serie de procesadores y sistemas operativos puede monopolizar todo el mercado. Incluso si existe una arquitectura convencional, las diferentes áreas de aplicación determinan que unas pocas empresas y productos no puedan monopolizar todo el mercado. Por lo tanto, los productos y tecnologías en el campo de los sistemas integrados están inevitablemente muy fragmentados, lo que deja mucho espacio para la innovación para las pequeñas y medianas empresas de alta tecnología en diversas industrias. Además, el desarrollo continuo de diversos campos de aplicación en la sociedad requiere el desarrollo simultáneo de núcleos de procesador integrados, lo que también constituye una poderosa fuerza impulsora para el desarrollo de la industria integrada.
El equipo es la base de la industria de sistemas integrados, que se basa en tecnología de diseño de "chips" centrada en aplicaciones y tecnología de desarrollo de productos de software orientada a aplicaciones.
(2) Características del producto de los sistemas integrados
Los sistemas integrados están orientados al usuario, al producto y a la aplicación. Si desarrolla independientemente de la aplicación, perderá mercado. El consumo de energía, el volumen, el costo, la confiabilidad, la velocidad, la potencia de procesamiento, la compatibilidad electromagnética, etc. de los procesadores integrados están todos restringidos por los requisitos de la aplicación y también son puntos calientes de competencia entre los fabricantes de semiconductores.
A diferencia de las computadoras de uso general, el hardware y el software de los sistemas integrados deben diseñarse para ser eficientes, personalizados y redundantes, esforzándose por lograr un mayor rendimiento en la misma área de silicio, para lograr mejores El rendimiento en aplicaciones específicas. La selección del procesador en aplicaciones es más competitiva. Los procesadores integrados deben personalizarse y agregar configuraciones de chip de acuerdo con las necesidades específicas de los usuarios para lograr un rendimiento ideal; sin embargo, también están restringidos por el volumen de pedidos de los usuarios; Por lo tanto, diferentes procesadores se enfrentan a diferentes usuarios, que pueden ser usuarios generales, usuarios industriales o usuarios individuales.
Los sistemas integrados se integran orgánicamente con aplicaciones específicas y sus actualizaciones se sincronizan con productos específicos. Por lo tanto, una vez que los productos de sistemas integrados ingresan al mercado, tienen un ciclo de vida largo. El software de los sistemas integrados generalmente se solidifica en una memoria de solo lectura en lugar de en discos y puede reemplazarse a voluntad. Por lo tanto, el ciclo de vida del software de aplicación en los sistemas integrados es tan largo como el de los productos integrados. Además, a diferencia del software informático general, los sistemas de aplicaciones y productos en diversas industrias rara vez saltan repentinamente, por lo que el software en los sistemas integrados enfatiza la herencia, la convergencia tecnológica y el desarrollo estable.
El desarrollo de procesadores integrados también muestra estabilidad. Generalmente un edificio existirá durante 8 a 10 años. Una arquitectura y sus periféricos en chip, herramientas de desarrollo, funciones de biblioteca y productos de aplicaciones integradas relacionados son un sistema de conocimiento complejo. Ni los usuarios ni los fabricantes de semiconductores renunciarán fácilmente a un procesador.
(3) Características del software del sistema integrado
El software de aplicación del procesador integrado es la clave para realizar las funciones del sistema integrado. procesador Los requisitos también son diferentes a los de las computadoras normales.
①El software requiere almacenamiento de estado sólido.
Para mejorar la velocidad de ejecución y la confiabilidad del sistema, el software en los sistemas integrados generalmente se solidifica en el chip de memoria o en el microcontrolador, en lugar de almacenarse en un soporte como un disco.
②El código del software es de alta calidad y altamente confiable.
Aunque el desarrollo de la tecnología de semiconductores ha aumentado la velocidad del procesador y la capacidad de almacenamiento en el chip, en la mayoría de las aplicaciones, el espacio de almacenamiento sigue siendo valioso y todavía existen requisitos en tiempo real. Por lo tanto, los requisitos de calidad para las herramientas de programación y compilación son mayores para reducir la longitud del código binario del programa y mejorar la velocidad de ejecución.
③El alto rendimiento en tiempo real del software del sistema (SO) es un requisito básico.
En los sistemas integrados multitarea, la programación razonable de tareas de diferente importancia es la clave para garantizar la ejecución oportuna de cada tarea. Es imposible e ineficaz confiar simplemente en aumentar la velocidad del procesador. Este tipo de programación de tareas solo se puede completar mediante un software del sistema optimizado, por lo que la naturaleza en tiempo real del software del sistema es un requisito básico.
④El sistema operativo multitarea es una plataforma para la integración de conocimientos y la base para la estandarización industrial.
(4) El desarrollo de sistemas integrados requiere herramientas y entornos de desarrollo.
Las computadoras de uso general tienen una interfaz persona-computadora completa y puede agregarle algunas aplicaciones de desarrollo y entornos de desarrollo para el autodesarrollo. Sin embargo, el sistema integrado en sí no tiene la capacidad de desarrollar bootstrap. Incluso después de completar el diseño, los usuarios normalmente no pueden modificar la funcionalidad del programa. Sólo se puede desarrollar un conjunto de herramientas y entornos de desarrollo. Estas herramientas y entornos se basan en dispositivos de hardware y software que se encuentran en computadoras de uso general, varios analizadores lógicos, osciloscopios de señal mixta y más.
(5) El software del sistema integrado requiere una plataforma de desarrollo RTOS.
Las computadoras de uso general cuentan con sistemas operativos completos e interfaces de programación de aplicaciones (API), que son parte integral de la computadora. El desarrollo de aplicaciones y el software completo se ejecutan en una plataforma de sistema operativo (SO), pero generalmente no en tiempo real. Los sistemas integrados son diferentes. Las aplicaciones pueden ejecutarse directamente en el chip sin un sistema operativo. Sin embargo, para programar razonablemente tareas múltiples, utilizar recursos del sistema, funciones del sistema e interfaces con funciones de biblioteca expertas, los usuarios deben elegir su propia plataforma de desarrollo RTOS, a fin de garantizar el tiempo real y la confiabilidad de la ejecución del programa, reducir el tiempo de desarrollo. y garantizar la calidad del software.
(6) Los desarrolladores de sistemas integrados son principalmente expertos en aplicaciones.
Los desarrolladores de computadoras de uso general son generalmente profesionales en informática o ingeniería informática, mientras que los sistemas integrados deben combinarse con aplicaciones en diferentes industrias y requieren más conocimientos profesionales más allá de las computadoras, y sus desarrolladores a menudo son expertos en diversos áreas de aplicación. Por lo tanto, las herramientas de desarrollo que sean fáciles de aprender, fáciles de usar, confiables y eficientes son requisitos básicos.
Perspectivas
3 Perspectivas de aplicación de los sistemas integrados
Los controladores integrados se utilizan en casi todas partes: teléfonos móviles, electrodomésticos, automóviles... todos Hay rastros de él. Los controladores integrados se han utilizado ampliamente en la industria, la agricultura, la educación, la defensa nacional, la investigación científica y la vida diaria debido a su pequeño tamaño, alta confiabilidad, funciones sólidas, flexibilidad y conveniencia, y han promovido la transformación tecnológica y el desarrollo de productos en todos los ámbitos de la vida. Desempeña un papel extremadamente importante en la actualización, aceleración de los procesos de automatización y mejora de la productividad.
El número de aplicaciones de las computadoras integradas supera con creces el de varias computadoras de uso general. Una computadora de uso general contiene de 5 a 10 microprocesadores integrados en sus periféricos. La fabricación, el control de procesos, las redes, las comunicaciones, los instrumentos, los medidores, los automóviles, los barcos, la aviación, el sector aeroespacial, los equipos militares, los productos de consumo, etc. son campos de aplicación de las computadoras integradas.
La industria de los sistemas integrados es una industria informática especial. Su propósito es hacer que todo sea más simple, más conveniente, más versátil y más aplicable. Las computadoras de uso general se convirtieron en computadoras funcionales y generalmente ingresaron a la sociedad. El objetivo de desarrollo de las computadoras integradas es implementar computadoras especiales para la "computación universal". Por lo tanto, se puede decir que los chips inteligentes integrados son los "genes digitales" que constituirán el mundo futuro. Como predijo el académico Shen Xubang, experto principal en sistemas integrados de mi país, "en los próximos diez años, habrá chips inteligentes integrados del tamaño de una cabeza humana con más de 100 millones de cálculos, lo que nos proporcionará un espacio creativo ilimitado". En resumen, "Los microcontroladores o microcontroladores integrados parecen ser un agujero negro que atraerá muchas de las tecnologías y logros actuales. China debería prestar atención al desarrollo de industrias intensivas en inteligencia".
Haz el examen y contribuye
[1] Lu Jingjian. BOL Systems analiza el problema del año 2000 desde la perspectiva de la confiabilidad y credibilidad de los sistemas integrados.
[2] Mu Yugang et al. y sus problemas." Investigación sobre métodos de depuración" Revista del Instituto de Tecnología de Shanghai (Vol 18 No.4.1999.
[3] Lu Jingjian, et al. Tecnología de Internet integrada y su aplicación.
Lu Jingjian, Xiao Haiqiao. Clasificación de los sistemas integrados y situación actual de los procesadores.
[5] Lu Jingjian, Xiao Haiqiao.
[6] Clarke Esler, TASKING Inc. y Christopher S. Sontag, componentes electrónicos emWare "Redes integradas para microprocesadores de 8 y 16 bits". Abril de 1999.
7Warren Weber. La tecnología anidada impulsa la reforma automotriz.
Lu Jingjian, Xiao Haiqiao. Herramientas de desarrollo de sistemas integrados y plataformas RTOS.
[9] TASKING apuesta por las comunicaciones integradas y promueve Internet y soluciones de comunicaciones. ht2tp:ppwww.bol-system.com.
[10] Sistemas Embebidos Edición Año 2000. Centro de datos de procesamiento electrónico, Oficina de Contabilidad, Yuan Ejecutivo, Provincia China de Taiwán.
[11]He Limin. Cree una plataforma de aplicaciones de microcontroladores e implemente una estrategia de desarrollo de plataformas.
Acceso a Internet integrado para microcontroladores de 8 y 16 bits.
[13] Un controlador de bajo costo que proporciona capacidades de programación en C. Departamento Editorial de EDN, EDN 2000.