2008年2月13日 星期三

什麼是嵌入式系統?

嵌入式系統的定義網路上很多,我於 2008/2/11 在 Google 上輸入「嵌入式系統 定義」,所傳回來的結果有「507,000」項。您也可以在維基百科(Wikipedia)的首頁,輸入「嵌入式系統」,它就會傳回來這篇文章,告訴您嵌入式系統是什麼。

不過我自己比較喜歡的「嵌入式系統」定義,如下所示:
  1. 為執行特定任務而設計、以軟體與硬體構成的微電腦系統。
  2. 該系統內嵌於生活周遭的機電設備內,默默地執行著被賦予的任務。

總而言之,就是「內嵌於機電設備內」以及「執行特定任務」兩個重點。舉個例子來說,汽車內的「電腦點火系統」,就可以算是一個嵌入式系統。它內嵌於汽車內,負責執行把汽車發動起來這個特殊任務。該系統由一片電路板,加上銲燒於電路板上的控制用軟體所形成。使用者可能不會太注意到它,但它總是在您轉動汽車鑰匙時,默默地完成它的任務。



1880 年左右製造的蒸汽推動之馬達,並附有發電設備。當時主要為軍方連接至探照燈使用(來源:http://ancientskyscraper.com/85601.html) 如果您還是不太瞭解,讓我舉個在知名電腦作家侯捷,在他的「無責任書評」一書中提到之「馬達的故事」,我認為聽完後應該可以讓大家瞭解「嵌入式」這三個字的箇中三昧:在馬達剛剛發明的時候,由於技術上無法突破,當時的馬達是又笨重又龐大。也因如此,馬達並不像現代的電器一般,是內嵌在各種電器裡頭,而是獨立存在的。如果你想用電風扇,你得把馬達與電風扇連接起來,啟動馬達後,才能享受電風扇帶來的清涼。想用洗衣機洗衣服,得把連接在電風扇上的馬達拔下來,重新連接在洗衣機上,之後洗衣機才能幫你把衣服洗乾淨。後來馬達越做越小,越做越便宜,為了使用方便起見,馬達這個「系統」,就被「內嵌」在各種電器裡面了。電風扇有電風扇的馬達,洗衣機有洗衣機的馬達。而且功能也分別特化為電風扇的馬達會往同一方向快或慢旋轉,洗衣機的馬達卻會往復地順反時針旋轉,好讓衣服洗得更乾淨。這些馬達,不但「內嵌」在不同家電中,而且都為「執行特定任務」而存在。我們可以說,馬達之於各式家電而言,是個「嵌入式系統」。

讓我們把時空拉回到現在,講個對照於「馬達的故事」的例子。假設您現在下載了一堆 MP3,想要把它們播放出來。您當然可以把它們放在「全能的」、「笨重的」桌上型電腦,然後乖乖地坐在電腦螢幕前聽歌。之後,您想玩遊戲,當然可以把您的遊戲再次放在「全能的」、「笨重的」桌上型電腦內,然後繼續乖乖地坐在電腦螢幕前打電動。但,聰明的您會這麼做嗎?您會不會去買一部小到可以吊在胸前的 MP3 播放器,裡面「內嵌」了一塊「只會播放 MP3」的迷你電路板,然後輕鬆地邊走邊聽您喜愛的音樂?您會不會去買一部電視遊樂器,裡面「內嵌」了一塊「強化了聲光音效與人機控制介面」的電路板,然後愉快地在客廳 42 吋大電視前,與家人一塊打電動?

猜到了嗎?那個「全能又笨重的桌上型電腦」,就相當於 19 世紀末那個「獨立運作的馬達」(見上圖)。為了能執行所有可能指派下來的動作(如:播放 MP3、玩電動玩具、文書處理…),它不得不配備所有可能的電路,使用越快越好的 CPU,內藏最大的記憶體。這樣的桌上型電腦,怎麼可能不笨重龐大、不耗電、不複雜難操作呢?但,如果把「全能的主機板」電路,針對特殊任務(如:播放 MP3),削減掉不必要的部分,只使用剛好夠快的 CPU、剛好夠大的記憶體、只提供必要的人機介面讓使用者操作,再把它們「嵌入」一個美觀大方的外殼中(術語把這外殼稱為「機構(機械結構)設計」),那不就能做出精巧、省電、便宜、又容易操作的電子產品嗎?而在這些電子設備上寫程式的人,就是現在最夯的「嵌入式系統工程師」。

「少即是多」。這句看似違反邏輯的話,您現在對它是否有不同的看法呢?在生活中或是學習上,如果想「包山包海」地討好所有人,或「地毯式掃蕩」地學會所有知識,反而會落得「鄉愿」或「博學不精」的罵名。「數大不一定是美」,或許嵌入式系統正默默點醒我們一些被忽略的方向。

一幅點出嵌入式系統無所不在的示意圖。原圖為 Frank Vahid & Tony Givargis 所著「Embedded System Design」(2001)一書封面。圖片取自 Amazon.com。 如果您對哪些東西算是「嵌入式系統」仍然迷迷糊糊的話,在這段的最後,我提供一張很有趣的圖片(見左)給大家參考,大家看了以後或許就知道哪些東西算是「嵌入式系統」了。原圖是 Frank Vahid 與 Tony Givargis 在 2001 年寫的一本書之封面,書名是「 Embedded System Design: A Unified Hardware/Software Introduction」,由 Wiley 出版。請您用滑鼠點一下左圖,待圖片放大後,您會看到一幅佈滿許多紅點的卡通示意圖。每個紅點所標示的設備,都算得上是「嵌入式系統」。看完後或許您會與我有相同的感覺:「原來嵌入式系統早就充斥在我們的生活周遭了呀!」


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關於作者

紀俊男,現任和群資訊總經理。曾任職於筌寶電子、趨勢科技、西基電腦、展望電腦等公司。教書經驗約 20 年。專長是程式設計、系統管理、嵌入式系統等領域。您可以在本篇留言與之聯繫、討論、或邀課。

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