本書內(nèi)容
計(jì)算機(jī)及軟件最常見的用途是在人類消費(fèi)及日�；顒�(dòng)中進(jìn)行信息處理，我們使用它們來撰寫書籍（就像本書）、在互聯(lián)網(wǎng)上查詢信息、通過電子郵件進(jìn)行通信，以及記錄金融數(shù)據(jù)等。然而，生活中絕大多數(shù)的“計(jì)算機(jī)”并不可見。它們控制汽車的引擎、剎車、安全帶、安全氣囊以及音頻系統(tǒng)；它們將你的聲音進(jìn)行數(shù)字編碼，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為無線電信號(hào)并從你的手機(jī)發(fā)送到基站；它們控制著微波爐、冰箱以及洗碗機(jī)；它們驅(qū)動(dòng)從桌面噴墨打印機(jī)到工業(yè)大容量打印機(jī)等各式打印設(shè)備；它們控制工廠車間的機(jī)器人、電廠的發(fā)電機(jī)、化學(xué)工廠的生產(chǎn)過程以及城市的交通燈；它們?cè)谏�物樣本中檢測(cè)細(xì)菌，構(gòu)建人體內(nèi)部的圖像并評(píng)估生命體征；它們從太空的無線電信號(hào)中尋找超新星及地外智慧生物；它們給予玩具“生命”，使其可以與人進(jìn)行觸覺、聽覺的交互；它們控制飛行器及火車，等等。這些“隱蔽”的計(jì)算機(jī)被稱為嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），其中所運(yùn)行的軟件則被稱為嵌入式軟件（Embedded Software）。
盡管嵌入式系統(tǒng)已廣泛地存在和應(yīng)用，但計(jì)算機(jī)科學(xué)在其相對(duì)較短的發(fā)展歷程中仍以信息處理為核心。直到近些年，嵌入式系統(tǒng)才得到研究者越來越多的關(guān)注。同樣，也是直到近些年，本領(lǐng)域的研究者和機(jī)構(gòu)才日益意識(shí)到設(shè)計(jì)和分析這些系統(tǒng)需要不同的工程技術(shù)。盡管嵌入式系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代就被應(yīng)用，但這些系統(tǒng)更多時(shí)候是被簡(jiǎn)單地看作小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如何應(yīng)對(duì)資源受限（處理能力、能源、存儲(chǔ)空間受限等）是其核心工程問題。由此，設(shè)計(jì)優(yōu)化就成為嵌入式系統(tǒng)的工程挑戰(zhàn)。由于所有設(shè)計(jì)都會(huì)從優(yōu)化過程中受益，因此，嵌入式系統(tǒng)學(xué)科也就與計(jì)算機(jī)科學(xué)的其他學(xué)科沒什么區(qū)別，只是要求我們更加積極地應(yīng)用這些共性優(yōu)化技術(shù)。
近來，研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到嵌入式系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)源自于其與物理進(jìn)程的交互，而并非資源的限制。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的項(xiàng)目主管Helen Gill率先提出了“信息物理融合系統(tǒng)”（Cyber-Physical System，CPS）這一概念，以強(qiáng)調(diào)計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的集成。在信息物理融合系統(tǒng)中，嵌入式計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，且物理進(jìn)程與計(jì)算之間存在著相互影響的反饋環(huán)路。為此，該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就需要充分理解計(jì)算機(jī)、軟件、網(wǎng)絡(luò)以及物理進(jìn)程之間相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)特性。研究關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)特性就使得嵌入式系統(tǒng)有別于其他學(xué)科。
在研究CPS的過程中，所謂的通用計(jì)算很少涉及的一些關(guān)鍵問題就開始浮現(xiàn)出來。例如，通用軟件中，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間是一個(gè)性能指標(biāo)，而不是正確性指標(biāo)。過長(zhǎng)的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間并不會(huì)引入錯(cuò)誤，僅會(huì)導(dǎo)致不太方便，也因此價(jià)值較低。但對(duì)于CPS而言，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能正確性非常關(guān)鍵。這是因?yàn)�，相�?duì)于信息世界，物理世界中的時(shí)間流逝是無法挽回的。
而且，CPS中很多事件都是同時(shí)發(fā)生的。物理進(jìn)程通常由這樣一組同時(shí)發(fā)生的事件所構(gòu)成，這明顯有別于順序化的軟件執(zhí)行過程。Abelson等（1996）將計(jì)算機(jī)科學(xué)描述為“程序化認(rèn)識(shí)論”，認(rèn)為這是關(guān)于程序的知識(shí)。相比較而言，物理世界中的進(jìn)程很少是順序化的，而是由諸多并行進(jìn)程所構(gòu)成。那么，通過設(shè)計(jì)影響這些進(jìn)程的一組動(dòng)作來評(píng)估和控制其動(dòng)態(tài)特性就成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。所以，并發(fā)性才是CPS的本質(zhì)，在設(shè)計(jì)和分析嵌入式軟件中存在的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)也都源自于橋接和彌合固有順序化語(yǔ)義與并發(fā)性物理世界的需要。
寫作動(dòng)機(jī)
軟件與物理世界交互的機(jī)制正在發(fā)生著快速變化。今天，整個(gè)趨勢(shì)正朝著“智能化”傳感器和執(zhí)行器（或作動(dòng)器）的方向發(fā)展，這些組件搭載了微處理器、網(wǎng)絡(luò)接口以及可以遠(yuǎn)程訪問傳感器數(shù)據(jù)并激活執(zhí)行器的軟件。無論現(xiàn)在是被稱作物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器通信（M2M），還是萬(wàn)物互聯(lián)、智慧地球、萬(wàn)億傳感器（Trillion Sensor）世界、霧計(jì)算（Fog，類似于云計(jì)算，但更近于地面）等，其發(fā)展前景實(shí)際上都是深度連接信息世界與物理世界的技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，這些“世界”之間的接口都是從信息技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中獲取靈感并演化而來。
物聯(lián)網(wǎng)接口是非常方便的，但仍然不適合這兩個(gè)不同世界之間的緊密交互，對(duì)于實(shí)時(shí)控制及安全攸關(guān)系統(tǒng)尤其如此。緊密交互仍然要求綜合且復(fù)雜的底層設(shè)計(jì)技術(shù)。嵌入式軟件設(shè)計(jì)人員被迫投入更多精力來關(guān)注中斷控制器、內(nèi)存架構(gòu)、匯編級(jí)編程（以利用特定指令或者精確地控制時(shí)序）、設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接口以及調(diào)度策略等問題，而不是聚焦于具體想要實(shí)現(xiàn)的行為。
這些技術(shù)（無論頂層還是底層）的龐大體系及復(fù)雜度促使我們開設(shè)如何掌握這些技術(shù)的導(dǎo)論性課程。但是，一門更好的導(dǎo)論課程應(yīng)該關(guān)注如何對(duì)軟件、網(wǎng)絡(luò)及物理進(jìn)程的關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)，且該類課程僅介紹現(xiàn)今（而不是早期）達(dá)成這一目標(biāo)的技術(shù)。本書就是我們針對(duì)該類課程所撰寫的。
關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)資料大部分都關(guān)注使計(jì)算機(jī)與物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互的技術(shù)集合（Barr and Massa, 2006; Berger, 2002; Burns and Wellings, 2001; Kamal, 2008; Noergaard, 2005; Parab et al., 2007; Simon, 2006; Valvano, 2007; Wolf, 2000）。其他一些則關(guān)注采用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)（如編程語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等）來處理嵌入式系