面向新工科的嵌入式系统知识体系创新研究(2)-计算机工程与设计

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面向新工科的嵌入式系统知识体系创新研究(2)

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2 嵌入式系统本质与核心问题

嵌入式系统是泛指一切“嵌入”了计算装置的应用系统，不论是功能的嵌入还是计算装置的整体嵌入。这符合IEEE Std 给出的嵌入式系统定义，也广泛地囊括了从早期功能嵌入到整体嵌入再到物理世界深度融合阶段的所有嵌入式系统形态。从计算机角度看，嵌入式系统被定义为“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机”。基于此，嵌入式系统本质上就是特殊的计算机系统，嵌入式系统的设计就是特定计算系统软硬件的设计，而嵌入式系统的学习也就成了具有嵌入式特色的计算技术和设计技术的学习。由此，嵌入式系统的核心问题就成为一个系统设计问题，即如何针对特定应用需求，“量体裁衣”地研制出资源规模、综合效能等匹配具体应用要求的嵌入式软硬件。显然，为了解决这个核心问题，或者培养出能够解决该类核心问题的专业人员，就需要从计算机系统和工程技术的角度来梳理、构建相应的知识培养和实践训练体系。这侧重于工程与技术。

与之相对应的是计算机科学的视角。嵌入式系统与物理装置、外部世界密切结合，在近来的研究中，研究者们已经普遍认识到，嵌入式系统的本质挑战源自于其和物理进程的交互而并非出自于系统资源的限制。美国自然科学基金委的项目主管Helen Gill就率先提出了“信息物理融合系统”（Cyber-Physical Systems，CPS）这一概念，表示嵌入式系统问题的研究已经迈入高阶形态，着重强调了计算进程与物理进程的集成。在信息物理融合系统中，嵌入式计算机与网络对物理进程进行监测和控制，且物理进程与计算之间都存在相互影响的反馈环路。为此，该类系统的设计就需要充分理解计算机、软件、网络以及物理进程之间相互关联的动态特性。UC Berkeley电子工程与计算机科学系的著名计算机科学家Edward A. Lee教授[6]认为，信息物理融合系统的核心问题是要在程序的顺序化执行与物理世界并发特性之间构建起一个桥梁，以弥合二者之间的本质差异。那么，研究关联的动态性就会使嵌入式系统有别于其他学科。如果说计算机科学是“程序认识论”，那么嵌入式系统科学就可以说是“并发特性认识论”，知识体系的构建则应倾向于如何剖析物理世界的动态并发特性、程序的顺序性以及二者融合的并发特性。

3 两种知识体系分析及其融合

显然，基于对问题本质的不同认知，就会构造出不同的嵌入式系统知识体系。一种出自于计算机工程的技术化视角，另一种则是出自于计算机科学的理论化视角。接下来，将对两类知识体系的特点、差异进行分析和比较，结合研究型人才培养给出知识体系的融合方法。

3.1 计算机工程视角

目前嵌入式系统教材与课程的知识体系大多都立足于计算机工程的技术化角度。分析可知，造成这一局面的主要原因有两个：（1）信息类专业的人才培养体系仍然侧重于工科特性，基础理论体系不完整且所占比重较低，对科学理论体系的支撑不够。（2）重点面向市场的工程型人才需求，培养过程主要关注学生的系统设计和科研实践能力。

当然，即使是从工程的角度出发，嵌入式系统知识体系的构建仍然存在诸多挑战。这是因为嵌入式系统的知识体系具有高度的综合性，涉及从电子电路到包含了处理器、存储器、I/O接口的嵌入式硬件体系，从监控软件、板级支持包（BSP）、嵌入式（实时）操作系统、图形库及文件系统等组件到应用软件的嵌入式软件体系，从硬件到软件的设计、调试、测试、验证体系，从计算到应用的领域交叉，知识内容非常广博，嵌入式系统知识体系示例，如图1所示。另外，这些知识又是大象无形的，其中的每一个功能组件、每一个系统的构建、每一个设计过程都可能有着非常多样的实现形式。例如从类型上嵌入式处理器就可分为微控制器（MCP）、微处理器（MPU）、数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑（PLD及FPGA）以及基于此的诸多组合与演化。嵌入式存储器、I/O接口、嵌入式操作系统、软件组件等也是如此。显然，基于计算机系统与工程的视角，在有限的篇幅内有效构建一个如图1所示的、涵盖完整且突出技术性的嵌入式系统知识体系是一个极大的挑战。

目前大多数嵌入式系统知识体系和书籍都聚焦于实现计算装置与物理系统交互的技术集合。虽然这些实现技术对于设计和实现嵌入式系统是必要的，但这并未能构成学科的知识核心。例如Stankovic等人支持“现有面向RTES（实时嵌入式系统）设计的技术并不能有效地支撑可靠、鲁棒嵌入式系统的开发”，更需要进行抽象设计的这一观点。那么，由此类知识体系所造成的典型教学问题就在于，在有限的课时中，要么为了保证知识体系的完整性而使得其在各个环节上都泛于表面，要么为了保证深入性而采用实例化教学，极大地破坏了一般性，限制了学生的专业视野与思维空间。显然，这两者都是不可取的。

文章来源：《计算机工程与设计》网址: http://www.jsjgcysjzz.cn/qikandaodu/2020/0806/357.html