面向新工科的嵌入式系统知识体系创新研究(3)

3.2 计算机科学视角

图1 嵌入式系统知识体系示例

如前所述，从与物理世界交互的角度，嵌入式系统本质上是信息物理融合系统。Edward A. Lee教授提出，物理世界中的进程很少是程序化的，而是由诸多并行进程所构成，那么，通过设计影响这些进程的一组动作来评估和控制其动态特性就率先成为嵌入式系统设计的主要任务。所以，并发性才是信息物理融合系统的核心问题。进而从动态性、并发性的角度，更为合理的嵌入式系统知识体系应该关注于如何对软件、网络及物理进程的关联动态特性进行建模和设计，其知识核心则应定位于可以结合计算与物理动态特性的模型和抽象。基于模型开展研究具有非常突出的优势，模型的形式化属性让我们可以给出关于模型的断定性描述，但任何系统的物理实现都不会具备这样绝对的断定。因此，模型化方法也就成为从科学视角构造嵌入式系统知识体系的基础。

目前，从科学角度出发所构建的嵌入式系统书籍和知识体系重点聚焦于对软件及网络的时间动态性进行显式建模，并明确描述应用固有的并发特性。例如“Modeling Embedded Systems and SoCs-Concurrency and Time in Models of Computation”论述了计算的并发模型，“Embedded System Design-Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems”阐述软硬件行为的模型，“Model-checking for Probabilistic Real-time Systems”聚焦于信息物理融合系统的形式化建模、规格以及验证。特别地，Edward A. Lee教授在其所著的《嵌入式系统导论—CPS方法》（第2版）一书中较为系统地给出了嵌入式系统的科学知识体系（见图2），重点从建模、设计、分析3个方面进行阐述。其中，建模聚焦于动态行为的特性模型，特别是时域中的连续动态性、基于状态机阐述的离散动态性、混合系统、并发组合语义与并发计算模型等。设计部分的内容看似与计算机工程的内容相同，但叙述的重点是模型、动态性和并发性，其目标是建立跨越传统抽象层的思考方式。例如，传感器与执行器部分的重点是如何进行建模，以理解其在整个系统动态性中作用，对存储器体系结构的讨论亦是如此。分析部分聚焦于属性的精确规格以及用于比较规格、分析规格和设计结果的技术。如不变量与时态逻辑部分阐述可以准确描述系统动态属性的时态逻辑，等价与精化部分关注于模型间的关系，以语言包含和模拟关系作为比较模型动态属性的方法，可达性分析与模型检验侧重于用以分析模型所呈现动态行为的技术，特别强调以模型检验作为分析这些行为的技术，定量分析则讨论了对所消耗资源的边界、能耗等嵌入式软件定量属性的分析等。

从科学理论角度出发构建的知识体系更加贴近于嵌入式系统的动态性、并发性本质，学习也更侧重于思想性和方法性。这符合研究型大学高素质人才培养的要求。然而，这类知识体系也面临着两大重要挑战：（1）要求专业课程体系要突出计算机科学理论，要求学生前期就应已具备良好的理论素养。（2）学生同时要建立起良好的计算机工程基础，以有能力将抽象理论与具体设计方法进行融会贯通，实现理论知识到专业能力的转化。

3.3 两种知识体系的融合探索

由上述分析可知，从计算机工程角度出发所构建的嵌入式系统知识体系，更像是一个涵盖了系统设计全部环节的技术集合，从科学角度构建的知识体系则更贴近于嵌入式系统信息、网络、物理过程相融合的动态、并发本质。对于工科特性尤其突出的嵌入式系统课程，单纯采用任何一个知识体系来进行人才培养都是不够的。例如采用工程化知识体系，有助于提高学生的系统设计能力和开发能力，但并不利于从思想层面启发学生的思维和创新能力。科学化的知识体系有助于从思想、方法层面对学生进行培养，基于模型的设计也会具备更好的鲁棒性和可靠性，但是鉴于该类知识体系与系统实现之间目前还存在着较大的差距，纯粹的理论化培养并不能满足当前对高水平专业人才的综合要求。既然两类知识体系都各有突出的优缺点，那么将其互相借鉴并进行融合是非常有益的。

图2 基于科学角度的嵌入式系统知识体系

虽然最初立意于系统与技术，但嵌入式系统知识体系依然可以进一步优化和重构。实践中，我们尝试借鉴科学知识体系及其思想，对嵌入式系统课程体系进行改革。以研究型大学专业人才培养为目标，拓展计算机工程的知识体系，尽量开展学生的思想、思维和专业素质的启发与培养。具体思路是，对同一类型对象中的原理和方法进行归纳和提炼，建立该类对象所对应的共性模型，并尽量阐述其共性核心机制所蕴含的科学思想、方法以及技术原理。这一做法的目的是将专业人才的培养更多地引导向思想学习，以达成创新型人才培养的更高目标而不是退化为职业人才培养。具体而言，在嵌入式系统课程体系的改革中，我们研究并探索了基于模型和归纳的知识体系构建方法，以嵌入式计算系统体系的构建为脉络，并以该体系中各节点的共性原理归纳分析与具体实现实例讨论相结合的方式进行组织。以嵌入式操作系统的知识组织为例，当今我们耳熟能详的嵌入式操作系统有数百种，典型的如嵌入式Linux，Android，IOS，VxWorks，Contiki，ROS、Windows Embedded系列以及国产的SylixOS，Alios，Huawei LiteOS等。虽然这些操作系统的功能和规模有所不同，分别用于移动设备、实时控制设备或物联网设备，但其体系架构却可以分类抽象为通用可定制嵌入式操作系统结构（如VxWorks、SylixOS的架构）、集成领域组件的嵌入式操作系统平台架构（如Android的架构）以及面向领域的嵌入式操作系统开发平台框架（如Contiki、ROS的架构）。基于此，可进一步归纳出嵌入式操作系统中需要重点讨论以任务管理为核心的内核服务机制，将学习过程从技术学习深化为思想学习、原理学习和方法学习。读者可进一步参阅《嵌入式系统体系、原理与设计》一书，其中采用了这样的组织形式[7]。

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