嵌入式计算机发展的基础技术

从应用的方式来说，计算机可分为两类：嵌入式计算机与独立式计算机，这两种计算机的发展取决于它们的基础技术。这里主要讨论一下嵌入式计算机普及、透明与智能的基础技术。 1    嵌入式计算机普及的基础技术 计算机的最初发展都是为军用服务的，它们的基础技术是电子管，因此这些计算机是完全没有办法普及的。 我国计算机的发展也是如此，是从电子管计算机到晶体管计算机再到集成电路芯片计算机的。 1.1  国产计算机的快速起步我国是从1956年开始搞计算机的； 1958年8月1日研制出第一台电子管103机； 1965年6月研制出第一台晶体管109机； 1968年8月研制出第一台小规模集成电路嵌入式156计算机； 1977年研制出第一台大规模集成电路嵌入式77型计算机。 由于这些计算机的基础技术: 所用的电子管、晶体管与大小规模集成电路都是自行设计与制造的,所以,发展很快。 1.2    国产计算机的当前发展 国产计算机的当前发展也是很快的,不足的是基础技术; 从计算机来讲,缺少的核心东西是“ 芯”片； 从绘图机来讲，缺少的核心东西是喷墨“头”； 从遥感系统来讲，缺少的核心东西是高性能的传感“器”； 由于我国现在的VLSI芯片制造技术这个基础技术的差距太大，不能形成良性循环,未能取得信息产业发展的主动权。 1.3    芯片制造技术: 计算机普及的基础技术1958年世界上的第一块集成电路芯片问世，从此开始了计算机的新纪元； 速度上： 快,  计算单位从MIPS到BIPS； 体积上： 小,  从看得见的到看不见的； 功耗上： 低,  从ENIAC的费城灯光到PC的TV功耗； 容量上： 大,  光的、磁的与半导体的存储器样样都有； 价格上： 廉,  现在是1958年的百万分之一。性能价格比差不多每年提高一倍。 1.4     计算机的普及 芯片制造技术的发展，是如何使得计算机得到普及的？这要归功于Xerox PAPC(Palo Alto Research Center in California)的Alan Kay提出的个人计算机概念。 他开发了名叫Alto的第一台个人计算机 ； 但是，他认为能普及的个人计算机应该是可携带的，因此没有把Alto变为商品。 个人计算机的普及使计算机工业的发展，现在已经进入到它的服务阶段。 1.5    个人计算机的三个主要问题 把一个PC机设计得能完成许多任务，将不能以一种最优的方式完成每个任务； 一个简单的PC机不可能适合于世界上每个人的需要； PC机每年都升级的商业模式，增加了机器的复杂程度； 因此，人们提出了后PC机时代，也就是技术将消失在工具之中,服务于有价值的功能，而成为一代看不见的计算机。 1.6   制造技术：产业革命的基础 所有产业革命都是建立在其制造技术的发展基础之上的。没有相应的制造技术，就不会有相应的产业革命。 第一次产业革命的物质机器是蒸汽机；使人类进入了工业时代； 第二次产业革命的物质机器是以芯片制造技术为基础的计算机，使人类进入了信息时代。 人类虽然已经从物理机器的时代，走到了信息机器，也就是计算机的时代；但发展基础仍然是相应的芯片制造技术。 1.7    国际竞争与策略联盟 今年1月4日、NEC、日立、三菱电机等11家宣布,计划合资成立生产新一代半导体的公司,采用0.1微米或更先进的制造工艺,以生产系统芯片为主； 3月21日,东芝、富士通宣布,双方计划成立半导体策略联盟;共同开发并生产芯片； 目前在日本半导体业界,各大公司甚至还在酝酿一个更加宏大的构想,将各公司的半导体业务部门合并成1到2家公司,以此来提高国际竞争力； 今年4月13日，美国摩托罗位，荷兰菲利蒲和法意合资的ST微电子公司等三家也签订了一项理解备忘录，旨在建立世界最大的新半导体技术研制联盟。以最低价尽快发展新一代系统芯片的制造技术。 2  嵌入式计算机透明的基础技术 当技术发展到成为人们生存方式的组成部分时，也就是技术发展到它的最后阶段时，都将成为透明的技术。 嵌入式计算机正在从普及的技术走向透明的技术; 嵌入式计算机透明的基础技术包括硬件技术，软件技术，服务技术以及生存方式等四个方面。 2.1  硬件的基础技术 因为只有进一步发展微电子技术，才能满足现代计算机透明的五个简单而又基本的条件：经济性、小型化、可靠性、高速度、智能性。所以，发达国家为了保持微电子技术霸主地位，总是要不断克服障碍来实现摩尔的预言的。    嵌入式计算机透明的硬件基础技术包括：硅芯片制造技术，体系结构技术，存储器技术与传感器技术。 2.1.1    硅芯片制造技术 芯片加工设备正在从200毫米硅园片加工设备向300毫米硅园片加工设备过渡。人们估计，采用300毫米硅园片将比200毫米硅园片降低芯片成本30％； 芯片特征线宽，目前0.18-0.25m芯片已进入批量生产阶段,估计2002年将达到0.13 m,半导体设备厂商正在积极进行努力,研发100nm技术的加工设备。 2.1.2  体系结构技术 SOC芯片正快步走来，将会使嵌入式计算机从小型化走向微型化；计算机设计中的一些最创新的工作不是在处理器中应包含些什么，而是如何将它们放在一起；  一个最典型的例子就是IBM’s Blue Gene高性能计算机。它是用来解开人体中的蛋白质秘密的。它由100 万个，每个的运算速度为10亿次的小而简单的处理器组成，没有耗电多的嵌入式caches存储器，具有自修复能力。 2.1.3   存储器技术 小的磁盘将会继续发展,生产出能存储巨大数据量的硬盘. 但是, 在近几年内，固态存储器的突破，将威胁到磁盘存储器的统治地位。 剑桥大学开发了单电子（single-electron)存储器芯片。大拇指甲大小的芯片可以存储一个完整电影片胶卷的声音与图像。试验芯片耗电非常少，而且断电之后，存储器内容可以保存十年以上。 2.1.4   传感器技术 嵌入式计算机接口的下一个主要突破将是使数字器件能监视模拟世界的便宜的传感器。 温度传感器，光传感器，运动传感器，以及其它传感器已经使得嵌入式计算机能够跟踪许多真实世界的活动与情况。 随着这些技术的成熟，更复杂的器件将像眼睛，耳朵以及其他感觉器官那样，为计算机网络服务。 2.2   软件的基础技术 软件的发展需要以硬件发展为基础;硬件的发展需要以软件发展来支持;它们是相辅相成密不可分的； 今天的WIMP（windows,icons,menus,and pointing devices)接口是容易学习和使用的。但它不是用户接口发展的终点。 新出现的用户接口技术SILK (speech,image,language, and knowledge capabilities)包含了语音、图像与知识三个方面发展。 2.2.1   语音和语言技术 尽管现在没有一个语言翻译电话，语音技术正在迅速的成熟，将成为计算机的一个实际输入手段。 声音识别系统正在用于安全系统，声音邮电系统，以及其它应用中。英语命令的自然语言处理将是未来用户接口的一个部分。 人们希望有在建立文档的同时能够阅读文档，按照人们的命令编辑文档，以及根据文档内容使文档文件化的程序。     2.2.2    图像显示技术 未来的计算机图示将不是静止的平面的图像，而是将包括三维模型、动画视频剪辑。 虚拟现实的用户接口将建立一个幻觉，使用户沉浸于计算机内的一个世界中。也就是建立一个包含情景与控制改变这些情景的一个环境。 2.2.3     知识技术 知识将是未来用户接口中的最重要的内容。知识技术的进步将使工程师能够设计一个自我维护的系统。 知识技术的进步，将使用户接口更加友好与宽容。 知识技术的进步，将解密许多模糊的命令，并校正一般的错误，更为重要的是知识技术将使软件代理对用户真正是服务型的。 2.3  服务的基础技术 现在我们是与计算机一起工作，人们希望将来是计算机独立的为我们工作。 计算机的服务正在向真正的智能代理(Truly intelligent agents)与情感计算机(affective computers)  两个重要的方面发展。 2.3.1   智能代理式的服务 代理是一个用于管理而不是操作的软件程序，智能软件代理能够提出问题与响应命令，关注其用户的工作模式，像导游与教练那样来服务。 现在的许多PC机应用包含了代理式的软件实体，引导用户解决复杂的任务并回答出现的问题。但是，它们还不能像人类助手那样管理许多细节。 未来的代理将是更好的能与人类助手竞争的真正的智能代理。     2.3.2  情感计算式的服务 MIT与IBM正在开发情感计算机。它能检测计算机用户的情绪状态，并做出适当的响应。 情感计算机采用传感器去确定人的情绪状态，传感器从简单的视听器件到嵌入鼠标的传感器，它们像测谎器一样的工作，监视脉博或皮肤的反应。 从生理学的观点来看,由于喜欢与憎恨是非常相同的。情感计算机不能指出它们的差别,还只能认出有限的情感。 2.4  生存方式的基础技术 人与计算机的比例：过去是N比1，现在是1比1，将来是1比N，也就是说将来到处都是计算机。 人们正在从嵌入式智能，无处不在的计算机，以及网络化三个方面研究计算机生存方式的透明技术。 2.4.1   嵌入式的生存方式 计算机时时刻刻正在嵌入到更多的工具中，例如：汽车、蜂窝电话、传真机以及GPS等，完成它们的专门的功能，同时隐藏技术细节，成为不可见的计算机。 计算机也将很快成为我们衣服的一部分，成为可穿戴的计算机 （wearable computers); 许多日本的制造商销售智能厕所（smart toilets),计算机控制的无纸厕所。其中有些模型还能自动收集与存储血压、脉膊、温度、尿液与体重的信息,具有体检的功能. 2.4.2   无所不在的生存方式 PARC集团正在研究<< p="">