面向新工科的嵌入式系統知識體系創新研究

張凱龍 吳曉 苗克堅

摘? ?要：嵌入式系統技術具有非常強的綜合性和實踐性，是一門典型的工科類技術。因此，在常見的嵌入式系統課程與人才培養體系中，更多側重于技術原理的學習以及實踐能力的培養。然而，在高水平研究型大學的新工科人才培養體系中，高層次專業人才的培養具有更高的要求，這就需要從新的視角來思考和重構嵌入式系統的知識體系和人才培養體系。為此，文章重點從工程、科學的不同視角出發，分析了不同類型的知識體系，并探討如何對這些知識體系進行融合，以促進研究型人才的培養。

關鍵詞：嵌入式系統;計算機工程;計算機科學;知識體系;思想;思維;方法

1? ? 嵌入式系統課程教學的必要性及現狀分析

萬物互聯的智能化時代，嵌入式系統技術的基礎性作用更為突出，其應用已經快速延伸到軍事國防、工業裝備、智能出行、醫療服務等人類社會的方方面面，成為改造傳統產業、促進行業新興發展的重要支撐。隨著嵌入式應用與物理世界融合程度的不斷深化、智能化水平的不斷提升以及新行業需求的不斷產生，嵌入式系統技術的發展與應用呈現出更為突出的領域交叉、創新發展等特征。為此，如何培養具有系統的知識體系、深厚的專業基礎以及良好創新思維與能力的新工科專業人才成為當下高水平研究型大學人才培養中亟待研究和解決的一個關鍵問題。

1.1? 研究型大學人才培養特點

為了分析研究型大學嵌入式系統人才培養的特點，本文先討論研究型大學的本質以及研究型大學人才培養的特點。美國最早明確地劃分出研究型大學這一類型，并由美國卡耐基大學促進基金會自1974年開始進行分類[1]。研究型大學通常注重教學與研究的統一，致力于培養高層次研究型人才，并開展前沿的科技研發，屬于精英教育的序列。因此，研究型大學的判定標準主要包括兩個方面;（1）是否培養出高層次的研究型人才。（2）是否產生高水平的學術研究成果并擁有卓越的師資隊伍。這不同于教學型大學以及技術型大學，其人才培養也必然具有特殊要求。

首先，研究型大學重視本科生的培養，實施博雅教育（即通識教育、素質教育，Liberal Arts Education）[2]。在高等教育周期中，本科階段是培養、塑造大學生人格、靈魂和精神的重要時期，決定學生的教育“基因”。為此，研究型大學大都極為重視厚基礎的本科生教育，并注重對素質和專業基礎的培養。鑒于博雅教育的目標恰是培養具有廣博知識、創新精神且富有人文情懷的高素質人才，而并非僅能掌握和運用某些技術的專門人才，其在研究型大學也就受到更多推崇。其次，將科研與教學過程進行多維融合與統一。針對高素質創新型人才培養的目標，研究型大學注重將科學研究的思想、方法、實踐、案例等全方位融入本科、碩士、博士課程的教學過程中，以培養學生對問題和知識的辨識能力、思維能力以及批判精神、科學精神與創新精神等，促進學生全面成才。

如上所述，研究型大學人才培養的首要目標是高素質的人、高水平的人才。因此，在培養體系和課程建設中，對綜合素質、系統思維和科學思想與方法的培養極為重要。就具體專業課程而言，這就要求避免陷入單一的專業知識講授或專業技能訓練模式，應該側重專業思想、方法乃至文化的學習。對于工科特性強的嵌入式系統課程，亦是如此，這也是本文開展討論的初衷與動機。

1.2? 嵌入式系統課程教學現狀分析

鑒于嵌入式系統技術龐大的知識體系和實踐要求，現有的嵌入式系統課程建設更多傾向于課程體系的梳理以及教學模式與教學方法的改進。例如，閔華松等[3]圍繞嵌入式系統人才培養，在分析嵌入式系統理論與技術和專業主干學科關系的基礎上設計了基于線程學習的培養模式，提出了將嵌入式系統融入基礎課程和專業課程學習的基本思路。圍繞實踐創新人才培養，沈珊瑚等[4]探討了嵌入式系統課程教學環節的改革，特別是創新答辯、學生觀摩分享、翻轉教學模式以及口袋實驗室等方面的嘗試及其效果。基于多年的嵌入式系統教學探索和總結，筆者之前研究并構建了從架構、原理到設計的嵌入式系統多維知識體系結構[5]，并編寫了《嵌入式系統體系、原理與設計》專業教材。教學實踐表明，這一體系有助于學生構建可以突出嵌入式特色的系統化知識體系與思維方式。總體上，這些探索和研究更側重于計算機工程與技術，也確實都促進了嵌入式系統課程教學效果的提升。

然而，純粹的工程教育并不完全符合研究型大學高素質專業人才的培養要求，在很大程度上缺失了從基礎理論層面對學生思想思維、創新素質的啟發與培養。為此，在嵌入式系統課程的教學改革過程中，筆者進一步從計算機科學、理論的角度對知識體系進行了探索。在自然科學范疇里歸納并建立正確的基礎科學理論體系或者用這樣的理論體系來指導實踐，是跳出萬變現象來徹底解決一系列科學、工程問題的根本。如愛因斯坦所言，“數學之所以有高聲譽，一個理由就是數學使得自然科學實現定理化，給予自然科學某種程度的可靠性。”嵌入式系統理論體系的建立和學習也是如此，會讓具體科學、工程問題的解決更為可靠，也常常可以免去設計過程中經驗性、試驗性工作所帶來的種種困擾。

2? ? 嵌入式系統本質與核心問題

嵌入式系統是泛指一切“嵌入”了計算裝置的應用系統，不論是功能的嵌入還是計算裝置的整體嵌入。這符合IEEE Std 1003.13-2003給出的嵌入式系統定義，也廣泛地囊括了從早期功能嵌入到整體嵌入再到物理世界深度融合階段的所有嵌入式系統形態。從計算機角度看，嵌入式系統被定義為“以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機”。基于此，嵌入式系統本質上就是特殊的計算機系統，嵌入式系統的設計就是特定計算系統軟硬件的設計，而嵌入式系統的學習也就成了具有嵌入式特色的計算技術和設計技術的學習。由此，嵌入式系統的核心問題就成為一個系統設計問題，即如何針對特定應用需求，“量體裁衣”地研制出資源規模、綜合效能等匹配具體應用要求的嵌入式軟硬件。顯然，為了解決這個核心問題，或者培養出能夠解決該類核心問題的專業人員，就需要從計算機系統和工程技術的角度來梳理、構建相應的知識培養和實踐訓練體系。這側重于工程與技術。

與之相對應的是計算機科學的視角。嵌入式系統與物理裝置、外部世界密切結合，在近來的研究中，研究者們已經普遍認識到，嵌入式系統的本質挑戰源自于其和物理進程的交互而并非出自于系統資源的限制。美國自然科學基金委的項目主管Helen Gill就率先提出了“信息物理融合系統”（Cyber-Physical Systems，CPS）這一概念，表示嵌入式系統問題的研究已經邁入高階形態，著重強調了計算進程與物理進程的集成。在信息物理融合系統中，嵌入式計算機與網絡對物理進程進行監測和控制，且物理進程與計算之間都存在相互影響的反饋環路。為此，該類系統的設計就需要充分理解計算機、軟件、網絡以及物理進程之間相互關聯的動態特性。UC Berkeley電子工程與計算機科學系的著名計算機科學家Edward A. Lee教授[6]認為，信息物理融合系統的核心問題是要在程序的順序化執行與物理世界并發特性之間構建起一個橋梁，以彌合二者之間的本質差異。那么，研究關聯的動態性就會使嵌入式系統有別于其他學科。如果說計算機科學是“程序認識論”，那么嵌入式系統科學就可以說是“并發特性認識論”，知識體系的構建則應傾向于如何剖析物理世界的動態并發特性、程序的順序性以及二者融合的并發特性。

3? ? 兩種知識體系分析及其融合

顯然，基于對問題本質的不同認知，就會構造出不同的嵌入式系統知識體系。一種出自于計算機工程的技術化視角，另一種則是出自于計算機科學的理論化視角。接下來，將對兩類知識體系的特點、差異進行分析和比較，結合研究型人才培養給出知識體系的融合方法。

3.1? 計算機工程視角

目前嵌入式系統教材與課程的知識體系大多都立足于計算機工程的技術化角度。分析可知，造成這一局面的主要原因有兩個：（1）信息類專業的人才培養體系仍然側重于工科特性，基礎理論體系不完整且所占比重較低，對科學理論體系的支撐不夠。（2）重點面向市場的工程型人才需求，培養過程主要關注學生的系統設計和科研實踐能力。

當然，即使是從工程的角度出發，嵌入式系統知識體系的構建仍然存在諸多挑戰。這是因為嵌入式系統的知識體系具有高度的綜合性，涉及從電子電路到包含了處理器、存儲器、I/O接口的嵌入式硬件體系，從監控軟件、板級支持包（BSP）、嵌入式（實時）操作系統、圖形庫及文件系統等組件到應用軟件的嵌入式軟件體系，從硬件到軟件的設計、調試、測試、驗證體系，從計算到應用的領域交叉，知識內容非常廣博，嵌入式系統知識體系示例，如圖1所示。另外，這些知識又是大象無形的，其中的每一個功能組件、每一個系統的構建、每一個設計過程都可能有著非常多樣的實現形式。例如從類型上嵌入式處理器就可分為微控制器（MCP）、微處理器（MPU）、數字信號處理器（DSP）、可編程邏輯（PLD及FPGA）以及基于此的諸多組合與演化。嵌入式存儲器、I/O接口、嵌入式操作系統、軟件組件等也是如此。顯然，基于計算機系統與工程的視角，在有限的篇幅內有效構建一個如圖1所示的、涵蓋完整且突出技術性的嵌入式系統知識體系是一個極大的挑戰。

目前大多數嵌入式系統知識體系和書籍都聚焦于實現計算裝置與物理系統交互的技術集合。雖然這些實現技術對于設計和實現嵌入式系統是必要的，但這并未能構成學科的知識核心。例如Stankovic等人支持“現有面向RTES（實時嵌入式系統）設計的技術并不能有效地支撐可靠、魯棒嵌入式系統的開發”，更需要進行抽象設計的這一觀點。那么，由此類知識體系所造成的典型教學問題就在于，在有限的課時中，要么為了保證知識體系的完整性而使得其在各個環節上都泛于表面，要么為了保證深入性而采用實例化教學，極大地破壞了一般性，限制了學生的專業視野與思維空間。顯然，這兩者都是不可取的。

3.2? 計算機科學視角

如前所述，從與物理世界交互的角度，嵌入式系統本質上是信息物理融合系統。Edward A. Lee教授提出，物理世界中的進程很少是程序化的，而是由諸多并行進程所構成，那么，通過設計影響這些進程的一組動作來評估和控制其動態特性就率先成為嵌入式系統設計的主要任務。所以，并發性才是信息物理融合系統的核心問題。進而從動態性、并發性的角度，更為合理的嵌入式系統知識體系應該關注于如何對軟件、網絡及物理進程的關聯動態特性進行建模和設計，其知識核心則應定位于可以結合計算與物理動態特性的模型和抽象。基于模型開展研究具有非常突出的優勢，模型的形式化屬性讓我們可以給出關于模型的斷定性描述，但任何系統的物理實現都不會具備這樣絕對的斷定。因此，模型化方法也就成為從科學視角構造嵌入式系統知識體系的基礎。

目前，從科學角度出發所構建的嵌入式系統書籍和知識體系重點聚焦于對軟件及網絡的時間動態性進行顯式建模，并明確描述應用固有的并發特性。例如“Modeling Embedded Systems and SoCs-Concurrency and Time in Models of Computation”論述了計算的并發模型，“Embedded System Design-Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems”闡述軟硬件行為的模型，“Model-checking for Probabilistic Real-time Systems”聚焦于信息物理融合系統的形式化建模、規格以及驗證。特別地，Edward A. Lee教授在其所著的《嵌入式系統導論—CPS方法》（第2版）一書中較為系統地給出了嵌入式系統的科學知識體系（見圖2），重點從建模、設計、分析3個方面進行闡述。其中，建模聚焦于動態行為的特性模型，特別是時域中的連續動態性、基于狀態機闡述的離散動態性、混合系統、并發組合語義與并發計算模型等。設計部分的內容看似與計算機工程的內容相同，但敘述的重點是模型、動態性和并發性，其目標是建立跨越傳統抽象層的思考方式。例如，傳感器與執行器部分的重點是如何進行建模，以理解其在整個系統動態性中作用，對存儲器體系結構的討論亦是如此。分析部分聚焦于屬性的精確規格以及用于比較規格、分析規格和設計結果的技術。如不變量與時態邏輯部分闡述可以準確描述系統動態屬性的時態邏輯，等價與精化部分關注于模型間的關系，以語言包含和模擬關系作為比較模型動態屬性的方法，可達性分析與模型檢驗側重于用以分析模型所呈現動態行為的技術，特別強調以模型檢驗作為分析這些行為的技術，定量分析則討論了對所消耗資源的邊界、能耗等嵌入式軟件定量屬性的分析等。

從科學理論角度出發構建的知識體系更加貼近于嵌入式系統的動態性、并發性本質，學習也更側重于思想性和方法性。這符合研究型大學高素質人才培養的要求。然而，這類知識體系也面臨著兩大重要挑戰：（1）要求專業課程體系要突出計算機科學理論，要求學生前期就應已具備良好的理論素養。（2）學生同時要建立起良好的計算機工程基礎，以有能力將抽象理論與具體設計方法進行融會貫通，實現理論知識到專業能力的轉化。

3.3? 兩種知識體系的融合探索

由上述分析可知，從計算機工程角度出發所構建的嵌入式系統知識體系，更像是一個涵蓋了系統設計全部環節的技術集合，從科學角度構建的知識體系則更貼近于嵌入式系統信息、網絡、物理過程相融合的動態、并發本質。對于工科特性尤其突出的嵌入式系統課程，單純采用任何一個知識體系來進行人才培養都是不夠的。例如采用工程化知識體系，有助于提高學生的系統設計能力和開發能力，但并不利于從思想層面啟發學生的思維和創新能力。科學化的知識體系有助于從思想、方法層面對學生進行培養，基于模型的設計也會具備更好的魯棒性和可靠性，但是鑒于該類知識體系與系統實現之間目前還存在著較大的差距，純粹的理論化培養并不能滿足當前對高水平專業人才的綜合要求。既然兩類知識體系都各有突出的優缺點，那么將其互相借鑒并進行融合是非常有益的。

雖然最初立意于系統與技術，但嵌入式系統知識體系依然可以進一步優化和重構。實踐中，我們嘗試借鑒科學知識體系及其思想，對嵌入式系統課程體系進行改革。以研究型大學專業人才培養為目標，拓展計算機工程的知識體系，盡量開展學生的思想、思維和專業素質的啟發與培養。具體思路是，對同一類型對象中的原理和方法進行歸納和提煉，建立該類對象所對應的共性模型，并盡量闡述其共性核心機制所蘊含的科學思想、方法以及技術原理。這一做法的目的是將專業人才的培養更多地引導向思想學習，以達成創新型人才培養的更高目標而不是退化為職業人才培養。具體而言，在嵌入式系統課程體系的改革中，我們研究并探索了基于模型和歸納的知識體系構建方法，以嵌入式計算系統體系的構建為脈絡，并以該體系中各節點的共性原理歸納分析與具體實現實例討論相結合的方式進行組織。以嵌入式操作系統的知識組織為例，當今我們耳熟能詳的嵌入式操作系統有數百種，典型的如嵌入式Linux，Android，IOS，VxWorks，Contiki，ROS、Windows Embedded系列以及國產的SylixOS，Alios，Huawei LiteOS等。雖然這些操作系統的功能和規模有所不同，分別用于移動設備、實時控制設備或物聯網設備，但其體系架構卻可以分類抽象為通用可定制嵌入式操作系統結構（如VxWorks、SylixOS的架構）、集成領域組件的嵌入式操作系統平臺架構（如Android的架構）以及面向領域的嵌入式操作系統開發平臺框架（如Contiki、ROS的架構）。基于此，可進一步歸納出嵌入式操作系統中需要重點討論以任務管理為核心的內核服務機制，將學習過程從技術學習深化為思想學習、原理學習和方法學習。讀者可進一步參閱《嵌入式系統體系、原理與設計》一書，其中采用了這樣的組織形式[7]。

將知識體系抽象化、理論化所帶來的一個問題是如何避免弱化學生實踐能力。實際上，這就需要對教學體系進行進一步改革，理論教學與實例教學相結合、課內教學與項目型作業相結合等都是有效解決這一問題的方法。教學實踐表明，融合的知識體系有助于在有限的課時內幫助學生構建起完整的嵌入式系統知識體系，兼顧了原理、方法與設計實踐，也更貼近研究型大學專業人才培養的要求。

4? ? 結語

結合研究型大學創新型人才培養的要求，本文從計算機工程和計算機科學的角度分析了嵌入式系統的本質與核心問題，進而剖析了相應兩類知識體系的內涵及其優缺點。在此基礎上融合兩種知識體系進行教學改革的思路與具體方法進行了探討，并給出了具體建議，以期能夠促進新時期嵌入式系統課程教學及人才培養質量的提升。

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[5]張凱龍.從架構、原理到設計的多維融合嵌入式系統知識體系構建[J].計算機教育，2017（4）：98-103.

[6]EDWARD A.LEE.嵌入式系統導論—CPS方法[M].2版，張凱龍，譯.北京：機械工業出版社，2018.

[7]張凱龍.嵌入式系統體系、原理與設計[M].北京：清華大學出版社，2017.

Abstract：Embedded system technology is very comprehensive and practical， is a typical engineering technology. Therefore， in the common embedded system curriculum and talent training system， more emphasis is placed on the learning of technical principles and the cultivation of practical ability. However， in the new engineering talents training system of high-level research universities， the cultivation of high-level professionals has higher requirements， so it is necessary to think and reconstruct the knowledge system and talent training system of embedded system from a new perspective. Therefore， this paper analyzes different types of knowledge systems from different perspectives of engineering and science and discusses how to deal with them.

Key words：embedded system; computer engineering; computer science; knowledge system; thought; thinking; method