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嵌入式計算機引領武器裝備新時代

http://www.kadhoai.com.cn 2026-04-07 19:51:01 來源：中國自動化學會專家谘詢工作委員會

  計算機是信息化、zhinenghuawuqixitongdelinghun。zaixiangdangchangdeyiduanshijianli，wuqizhuangbeijiqijisuanjijibenshangzichengxitong。zicongchuxianweixingjisuanjihou，erzhecaiyuelaiyuejinmidironghezaiyiqi，chuxianleqianrushijisuanji（Embedded Computer）。嵌入式計算機是嵌入到對象體係（即宿主係統）zhongdezhuanyongjisuanji。qianrushijisuanjizaigongnenghewulijiegoushangdouqianruzaixitongzhong，buduliyuxitongyunxing，shixitongdezuchengbufen。yigeyingyongxitonganxuyaokeqianruyitaihuoduotaijisuanji。junshizhuanjiaduanyan，wuqizhuangbeiyijingjinrule“嵌入式”時代。
嵌入式計算機的來龍去脈
    電子計算機的傳統分類方法，是按照體係結構、運算速度、係統規模和適用領域分為大型、中型、小型和微型。這種計算機分類方法沿襲了約40多年。近些年來，隨著半導體、微電子和計算機等技術的快速發展及廣泛應用，現代計算機麵向應用出現了兩大分支：實現智能化控製的嵌入式計算機係統，以及進行高速、海量數值計算的通用計算機係統，並據此將計算機分為嵌入式計算機和通用計算機兩大類。二者的技術發展方向不同：前者注重與對象係統密切相關的嵌入性能、控製能力及可靠性；而後者注重運算速度的提升和存儲容量的擴大。
   由此，武器裝備係統中也相應出現了“嵌入式”和“通用”的計算機分類方法。軍用嵌入式計算機是指以芯片、模板、插件或控製器等形式“鑲嵌”在武器或武器係統內部，智能地完成係統功能的專用計算機，分為設備級（工控機）、板級（單板、模塊）、芯片級（MCU、SoC）。它主要用於武器控製、指揮控製、通信係統、作戰仿真、保障係統中，可執行一種或多種特定任務，具有體積小、重量輕、功耗低、適應惡劣環境、實時性強、可靠性高等特點。
   可以說，是微型機時代的應用造就了嵌入式計算機。一方麵，現代作戰需要計算機“嵌入”到武器裝備中，使武器係統更加智能化；另一方麵，技術的發展使得計算機有可能“嵌入”到武器裝備中。作戰需求和技術可能的互動，是軍用嵌入式計算機係統得到快速發展的推動力。
嵌入式計算機的特點
    基本特點
   作為一種嵌入到對象體係中的專用計算機係統，“嵌入”、“專用”和“計算機”是嵌入式計算機的3個基本要素；並由此衍生出以下3個基本特點：為了“嵌入”，必須滿足嵌入對象的要求，如物理環境（小型）、作戰環境（可靠）、使用成本（價廉）等；由於“專用”，可以“裁剪”軟、硬件，使之滿足對象要求的最小配置；嵌入式計算機必須是能滿足對象係統控製要求的計算機係統。
   結構特點
   ⑴與宿主相匹配。嵌入式計算機作為武器係統等宿主的組成部分，其體積、重量、形狀等諸多參數必須滿足宿主的不同要求；其功能要與宿主的水平相適應，過高或過低都是不理想的。
   ⑵實時性強。嵌入式計算機直接從傳感器獲取信息，進行實時或近實時處理，以滿足“從傳感器到射手”的時間要求。因此對信息處理、管理和分發的實時性要求很高。
   ⑶可靠性。嵌入式計算機大量用於空間、空中、海上等惡劣環境中，要經受高輻射、超低溫、鹽霧、振動等考驗，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、相互使用和重複使用的硬件和軟件模塊，可大大降低成本，提高係統性能。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
   嵌入式計算機針對特定對象的應用特點，要求計算機開發人員了解對象係統的控製要求，介入體係結構、軟件技術、工程應用方麵的研究。嵌入式計算機在軍事領域的應用中，形成了兩種並存的、相互補充的應用模式：①電子技術工程師以自己的應用習慣開發單片機，特點是軟、硬件的底層性和隨意性，以及與對象係統的密切相關性，但缺少計算機工程設計方法。②計算機專業人士介入，帶有明顯的計算機工程應用特點，軟、硬件平台基於嵌入式係統，結合網絡、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、相關的硬件設備（如內部總線、接口以及外部總線）以及“嵌入式”軟件係統三個主要部分組成。
   微處理器是嵌入式計算機的核心，主要產品如IBM公司的PowerPC、英特爾公司的“奔騰”和Sun公司的SPARC等係列產品。隨著絕緣體矽（SOI）、銅布線等新工藝、新技術的出現，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。
   內部總線用於插件之間的信息傳遞。由於VME內部總線能靈活地將不同廠商的異種板級產品集成於同一係統中，因此一直處於軍用係統內部總線的領先地位。PC/104和CompactPCI內部總線是後起之秀，美軍的全球定位係統和士兵便攜式係統維護工具都用到了PC/104總線。
   外部總線用於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。光纖通道肯定是未來軍用嵌入式計算機的主流技術，但可移植性差、帶寬冗餘過多，短期內不會取代1553B總線。
   嵌入式計算機軟件包括係統軟件和應用軟件，往往被固化。操作係統主要有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、易於定製、硬件支持廣泛、采用開放源代碼，可為以太網、光纖網和衛星網等多種聯網方式提供支持等優點，自1998年推出以來一直受到軍方的高度關注。
美軍軍用嵌入式計算機的發展
    從20世紀60年代開始，美軍率先為武器係統設計各種類型的嵌入式計算機。到80年代，其先進的武器係統（如雷達、衛星、導彈、製導炸彈等）基本裝備了嵌入式計算機。如AN/UYK-43嵌入式戰術計算機，主要用於“宙斯盾”係統、先進作戰指導係統（ACDS）等艦載戰術係統，以及“三叉戟”潛艇、多用途兩棲攻擊艦等平台。此外，武器測試設備、訓練模擬係統、後勤信息化係統也開始采用嵌入式計算機。80年代後，美軍各軍種紛紛提出軍用嵌入式計算機計劃，如陸軍“空地一體化指揮控製計算機”、海軍“E-2C飛機預警係統計算機”以及空軍“HAWK-32計算機技術計劃”等(deng)等(deng)。經(jing)過(guo)幾(ji)十(shi)年(nian)的(de)發(fa)展(zhan)，美(mei)軍(jun)鞏(gong)固(gu)了(le)在(zai)這(zhe)一(yi)領(ling)域(yu)的(de)優(you)勢(shi)地(di)位(wei)，拉(la)大(da)了(le)與(yu)其(qi)他(ta)國(guo)家(jia)在(zai)技(ji)術(shu)上(shang)的(de)差(cha)距(ju)。近(jin)幾(ji)年(nian)，由(you)於(yu)嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)發(fa)展(zhan)已(yi)基(ji)本(ben)成(cheng)熟(shu)，各(ge)軍(jun)種(zhong)已(yi)不(bu)再(zai)製(zhi)定(ding)專(zhuan)項(xiang)計(ji)劃(hua)，但(dan)新(xin)型(xing)武(wu)器(qi)的(de)研(yan)製(zhi)以(yi)及(ji)現(xian)有(you)武(wu)器(qi)的(de)改(gai)造(zao)都(dou)會(hui)涉(she)及(ji)到(dao)嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)開(kai)發(fa)與(yu)升(sheng)級(ji)。美(mei)軍(jun)嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)發(fa)展(zhan)中(zhong)，有(you)很(hen)多(duo)值(zhi)得(de)參(can)考(kao)的(de)經(jing)驗(yan)：
   規範指令係統結構
    研製嵌入式計算機之初，美軍各軍種往往分別研製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”式發展，品種型號繁多、兼容性差、沒有統一的標準。60年代末，美軍為軍用嵌入式計算機確定了指令係統結構標準，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，降低了使用多種計算機語言而引起的軟件研製、移植等諸多問題。
   倡導、普及Ada語言
    Ada語言是美國國防部於1979年提出的一種結構化程序設計語言。此前各軍種使用不同的編程語言（如空軍使用JOVLAL語言、陸軍使用NEBULA語言、海軍使用CM2語言），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於80年代指定Ada語言作為開發嵌入式計算機軟件的唯一編程語言，廠商若不用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，不再強製使用Ada語言，C++、Java等語言逐漸用於嵌入式計算機領域。雖然Ada語言不再是國防部唯一指定的嵌入式計算機編程語言，但由於它並行處理功能強、便於使用，經過20多年的發展已成為通用的編程語言，美軍和北約多有使用，如“阿特拉斯V”火箭軟件管理係統和“聯合防區外武器”的核心製導電子單元的軟件編程都使用了Ada語言。
   采用商用技術和開放結構
    過去，美國軍用計算機一直由專門廠商按軍用規格研製，對環境要求特別苛刻，價格一般是商用計算機的2倍以上。90年代後，隨著計算機技術的快速發展，商用計算機經過溫度、濕度、振動和衝擊等加固後，一般都能夠滿足軍方需求。因此，1994年，美國防部部長佩裏提出了采用商用技術和產品的倡議。這樣，在引進先進技術的同時，可以降低產品價格、縮短研製周期。現在美軍新研製的嵌入式計算機已廣泛使用了現成的商用產品，並采用開放式的體係結構，在芯片、總線和操作係統選擇上遵循開放係統標準，以提高計算機的互聯、互通、互操作性，使之易於升級。軍用嵌入式計算機的未來：
   一是高性能、小體積、輕型化。隨著美軍的轉型，其武器裝備必然會更趨輕型化、微型化，更易於部署。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、並行處理等關鍵技術正在開發。係統級芯片可以在單片上實現全電子係統的集成，是未來嵌入式計算機的基礎。
   二(er)是(shi)網(wang)絡(luo)化(hua)。未(wei)來(lai)戰(zhan)爭(zheng)是(shi)網(wang)絡(luo)化(hua)的(de)戰(zhan)爭(zheng)，嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)將(jiang)作(zuo)為(wei)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)節(jie)點(dian)來(lai)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)。分(fen)布(bu)式(shi)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)通(tong)過(guo)通(tong)信(xin)手(shou)段(duan)聯(lian)網(wang)後(hou)，在(zai)戰(zhan)場(chang)偵(zhen)察(cha)、環境監控、人員與裝備定位、戰場監控、醫療保障、信息訪問及部隊防護等諸多方麵，都比目前計算機的功能更強大。
   三san是shi智zhi能neng化hua。如ru美mei軍jun積ji極ji推tui廣guang的de軍jun隊dui通tong用yong訪fang問wen卡ka，就jiu是shi使shi用yong嵌qian入ru式shi計ji算suan機ji芯xin片pian的de智zhi能neng識shi別bie卡ka，能neng夠gou對dui訪fang問wen軍jun用yong計ji算suan機ji網wang絡luo和he係xi統tong的de人ren員yuan進jin行xing識shi別bie和he授shou權quan。
   四是軟件功能強大。“嵌入式”計算機的軟件功能將越來越強大，更多的功能將通過軟件而不是硬件來實現。
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