本書內(nèi)容
計算機及軟件最常見的用途是在人類消費及日常活動中進行信息處理，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“計算機”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)；它們將你的聲音進行數(shù)字編碼，進而轉(zhuǎn)換為無線電信號并從你的手機發(fā)送到基站；它們控制著微波爐、冰箱以及洗碗機；它們驅(qū)動從桌面噴墨打印機到工業(yè)大容量打印機等各式打印設(shè)備；它們控制工廠車間的機器人、電廠的發(fā)電機、化學(xué)工廠的生產(chǎn)過程以及城市的交通燈；它們在生物樣本中檢測細菌，構(gòu)建人體內(nèi)部的圖像并評估生命體征；它們從太空的無線電信號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”的計算機被稱為嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），其中所運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，但計算機科學(xué)在其相對較短的發(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)域的研究者和機構(gòu)才日益意識到設(shè)計和分析這些系統(tǒng)需要不同的工程技術(shù)。盡管嵌入式系統(tǒng)自20世紀70年代就被應(yīng)用，但這些系統(tǒng)更多時候是被簡單地看作小型計算機系統(tǒng)，如何應(yīng)對資源受限（處理能力、能源、存儲空間受限等）是其核心工程問題。由此，設(shè)計優(yōu)化就成為嵌入式系統(tǒng)的工程挑戰(zhàn)。由于所有設(shè)計都會從優(yōu)化過程中受益，因此，嵌入式系統(tǒng)學(xué)科也就與計算機科學(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)認識到嵌入式系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)源自于其與物理進程的交互，而并非資源的限制。美國國家科學(xué)基金會（NSF）的項目主管Helen Gill率先提出了“信息物理融合系統(tǒng)”（Cyber-Physical System，CPS）這一概念，以強調(diào)計算進程與物理進程的集成。在信息物理融合系統(tǒng)中，嵌入式計算機與網(wǎng)絡(luò)對物理進程進行監(jiān)測和控制，且物理進程與計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)計就需要充分理解計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò)以及物理進程之間相互關(guān)聯(lián)的動態(tài)特性。研究關(guān)聯(lián)的動態(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)行時間是一個性能指標，而不是正確性指標。過長的任務(wù)執(zhí)行時間并不會引入錯誤，僅會導(dǎo)致不太方便，也因此價值較低。但對于CPS而言，任務(wù)執(zhí)行時間可能對整個系統(tǒng)的功能正確性非常關(guān)鍵。這是因為，相對于信息世界，物理世界中的時間流逝是無法挽回的。
而且，CPS中很多事件都是同時發(fā)生的。物理進程通常由這樣一組同時發(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）將計算機科學(xué)描述為“程序化認識論”，認為這是關(guān)于程序的知識。相比較而言，物理世界中的進程很少是順序化的，而是由諸多并行進程所構(gòu)成。那么，通過設(shè)計影響這些進程的一組動作來評估和控制其動態(tài)特性就成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的首要任務(wù)。所以，并發(fā)性才是CPS的本質(zhì)，在設(shè)計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義與并發(fā)性物理世界的需要。
寫作動機
軟件與物理世界交互的機制正在發(fā)生著快速變化。今天，整個趨勢正朝著“智能化”傳感器和執(zhí)行器（或作動器）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)、機器通信（M2M），還是萬物互聯(lián)、智慧地球、萬億傳感器（Trillion Sensor）世界、霧計算（Fog，類似于云計算，但更近于地面）等，其發(fā)展前景實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不同世界之間的緊密交互，對于實時控制及安全攸關(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)計技術(shù)。嵌入式軟件設(shè)計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)、匯編級編程（以利用特定指令或者精確地控制時序）、設(shè)備驅(qū)動設(shè)計、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)注如何對軟件、網(wǎng)絡(luò)及物理進程的關(guān)聯(lián)動態(tài)特性進行建模和設(shè)計，且該類課程僅介紹現(xiàn)今（而不是早期）達成這一目標的技術(shù)。本書就是我們針對該類課程所撰寫的。
關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)資料大部分都關(guān)注使計算機與物理系統(tǒng)實現(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)注采用計算機科學(xué)技術(shù)（如編程語言、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等）來處理嵌入式系