火星探測器探索太空的實現(xiàn)，賦予了人類更大的想象空間；高科技戰(zhàn)爭中全球范圍內(nèi)的精確制導(dǎo)攻擊，帶來了全球性的安全隱患；植入人體的電子起搏器，挽救了無數(shù)人的生命；成千上萬大規(guī)模使用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在軍事、環(huán)保和建筑測量等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可限量的作用。從現(xiàn)實的角度來說，這些都屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇。這么多類別，這么多領(lǐng)域，可以用相對獨立的理論將它們統(tǒng)一起來嗎？
　　人們可以忍受PC死機，但絕不允許家里的電視死機；而汽車的調(diào)速系統(tǒng)和飛行器的制導(dǎo)系統(tǒng)在運行中更不能出問題，否則后果是災(zāi)難性的。那么嵌入式系統(tǒng)可靠性如何保障？又應(yīng)該如何分類？
　　學(xué)生們把智能手機、數(shù)碼音樂播放器、手持游戲機、掌上電腦、數(shù)碼相機和電視機頂盒等大量消費類電子產(chǎn)品當(dāng)作嵌入式系統(tǒng)的全部，甚至經(jīng)常有學(xué)生將PC認為是計算機的全部和將Windows認為是操作系統(tǒng)的全部一樣，這些是誰的錯？
　　以上問題，通過本書可以找到答案。
　　二、寫作動機
　　1�� 學(xué)科整合感受
　　1998年，從香港做博士后歸來后，在南開大學(xué)建立了“嵌入式系統(tǒng)與信息安全”實驗室，全面開始對嵌入式系統(tǒng)進行抽象和針對性研究。從帶有網(wǎng)絡(luò)控制性質(zhì)的自動售貨機，到具有消費類電子的基于Linux的手持電子閱讀器，其間主持了兩個操作系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，即Wolf mini�睴S（相當(dāng)于μcOS）和Wolf Linux。加之早年（1986～1996年）在自動控制中的實踐，體會到了自動控制和計算機兩個專業(yè)角度體會嵌入式系統(tǒng)的不同。想將此種感受紀錄和抽象出來是寫作本書的動機之一。
　　2�薄】蒲�、產(chǎn)業(yè)體驗總結(jié)
　　大學(xué)畢業(yè)后二十余年間，前十年（1986～1996年）主要從事自動控制方面的教學(xué)和科研工作，后十年（1997年至今）主要從事計算機系統(tǒng)方面的教學(xué)、科研和產(chǎn)業(yè)方面的工作。在這種工作跨度中，深深體會到教育、工業(yè)和商業(yè)方面的區(qū)別。這種感悟和體會的紀錄，便是寫作本書的動機之二。
　　3�� 教學(xué)培養(yǎng)壓力
　　從2003年開始，在南開大學(xué)為信息學(xué)院的碩士研究生開始教授“現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)”已經(jīng)近五年，授課期間感受到很多系統(tǒng)抽象方面的內(nèi)容。然從2004年開始為學(xué)院本科主講“嵌入式系統(tǒng)”以來，面對學(xué)生缺乏基本專業(yè)知識，市面參考書目良莠不齊，國外教材與國內(nèi)難以同步，網(wǎng)絡(luò)資源缺乏權(quán)威和嚴肅性等狀態(tài)，頗受缺乏有效教材的襲擾，由此形成了本人寫作本書的主要動力！
　　2004年開始規(guī)劃，至今已經(jīng)跨越了四個年度。
　　三、主要思想
　　1�� 嵌入式系統(tǒng)定義與分類方式
　　嵌入式系統(tǒng)作為概念并不是新詞，大約二十多年前就已經(jīng)有定義了，而被學(xué)科和人們開始重視，應(yīng)該也僅是近十幾年的事情。但從“嵌入式系統(tǒng)”定義的角度，卻發(fā)生了較大的分歧，由此形成對系統(tǒng)評判和構(gòu)造的方向性差異，也就是：
　　應(yīng)用設(shè)備系統(tǒng)（本書中稱作對象體系）中含有專用計算機系統(tǒng)；
　　將專用計算機系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用設(shè)備系統(tǒng)中。
　　這是方向的不同，本書中強調(diào)后者，即“將專用計算機系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用設(shè)備系統(tǒng)中”，但也不絕對否認前者，因為前者是很多單片機系統(tǒng)的構(gòu)造方式，至今依舊是嵌入式系統(tǒng)中的重要組織方式。從這個角度來說，本書作為教材是兼收并蓄的，而不是學(xué)術(shù)極化。
　　本書依據(jù)嵌入式系統(tǒng)的可靠性、實時、交換和可信四個主軸，為現(xiàn)存的嵌入式系統(tǒng)進行了全面的分類，因此為學(xué)生建立前面的嵌入式系統(tǒng)概念，建立了全局的基礎(chǔ)。例如，按照本書的劃分，將WinCE系統(tǒng)劃分為：可崩潰可交換非可信非實時系統(tǒng)，這樣從類別的角度，可讓學(xué)生清晰的建立全局觀，客觀的審視和評價周邊的嵌入式系統(tǒng)。這一點應(yīng)該是本教材的突破，既屏蔽應(yīng)用和商業(yè)帶來的障礙，又提高了學(xué)習(xí)過程的感知度和理解度。
　　2�� 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次
　　五層結(jié)構(gòu)
　　按照常規(guī)嵌入式系統(tǒng)層次的分法，大都將嵌入式系統(tǒng)分為三層，即硬件+操作系統(tǒng)+應(yīng)用。但本書將系統(tǒng)細分為五層，主要思想來源于PC產(chǎn)業(yè)的細分。PC中的BIOS（Basic Input Output System，基本輸入/輸出系統(tǒng)）將PC的硬件制造和個人計算機系統(tǒng)分離，同時也將硬件和軟件變化分離，由此可以保證系統(tǒng)的整體可靠性。書中強化了最小系統(tǒng)和驅(qū)動部分，并將操作系統(tǒng)的UI（User interface用戶接口）剝離。
　　裁減控制
　　關(guān)于內(nèi)核的描述，書中引入了層次結(jié)構(gòu)下的模塊式結(jié)構(gòu)和插件式結(jié)構(gòu)，明晰和強調(diào)了嵌入式系統(tǒng)的另一大特征——可裁剪性。
　　控制數(shù)學(xué)模型
　　在結(jié)構(gòu)性分析的同時，書中強調(diào)了工程控制論思想，明確了在嵌入式系統(tǒng)土壤中如何構(gòu)造以精確控制為目標的控制數(shù)學(xué)模型。
　　3�� 評價體系
　　系統(tǒng)與平衡
　　對于嵌入式系統(tǒng)的評價，很難用絕對的方式進行衡量，就像人的健康狀態(tài)，極化任何一個方面，都可能造成誤導(dǎo)。因此，建立嵌入式系統(tǒng)評價體系，應(yīng)從系統(tǒng)和平衡的著眼點進行考量。
　　過程與生存環(huán)境
　　評價應(yīng)該包括嵌入式系統(tǒng)的全過程，從系統(tǒng)的創(chuàng)建、設(shè)計、制造，到運行/維護和消亡，也因此形成了設(shè)計空間、制造空間、運維空間和用戶空間的嵌入式系統(tǒng)環(huán)境概念。這是大多數(shù)教材和論著忽略的，但在本書中相對強化了該點，這些在本書封面上都有所體現(xiàn)。
　　系統(tǒng)制約與干擾
　　嵌入式系統(tǒng)不是孤立的，它與對象體系既息息相關(guān)，又有制約和干擾。表達方式上，書中采用了蜘蛛圖進行描述，比較形象。整體的評價體系充分的吸收了我國傳統(tǒng)陰陽系統(tǒng)二元邏輯，多級對稱的精髓，注重在很多方面強調(diào)了兩極互補、互動的關(guān)系。例如，硬件與軟件、處理器和存儲、程序與數(shù)據(jù)等�？陀^地定位了大多數(shù)人強化嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的觀點，將其定位為本書定義體系下的中間件，即在設(shè)計中，工程師希望它們越龐大越好，但在用戶使用時，則希望其越瘦、越薄為好，否則在性能、可靠性、成本等方面都會受到影響。
　　4�� 工程方法
　　嵌入式系統(tǒng)的工程方法主要強調(diào)設(shè)計空間環(huán)節(jié)，以及與之密切相關(guān)的制造和維護空間。
　　時間指標量化
　　傳統(tǒng)的控制和儀表系統(tǒng)，大都在時序控制和時間精細安排方面有著眾多的原則和理論支撐，但在計算機系統(tǒng)中，軟件編程人員往往淡化這一概念。真對于這一方面，本書也安排了相關(guān)融合內(nèi)容，來強調(diào)時間量化和時序的重要性。
　　系統(tǒng)可裁剪
　　系統(tǒng)配置和條件編譯，無疑是裁減過程的重要環(huán)節(jié)，但嵌入式系統(tǒng)的可裁剪性應(yīng)該體現(xiàn)在所有的環(huán)節(jié)和模塊中。為此，本書從軟件封裝到硬件支撐等許多部分都安排了相關(guān)內(nèi)容的講解，來使讀者了解相關(guān)的設(shè)計考慮。
　　系統(tǒng)整合
　　嵌入式系統(tǒng)整合是從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員必須具備的意識和能力。例如，Motorola公司發(fā)布的A780手機，是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的，整體整合了十幾家嵌入式軟件產(chǎn)品，才形成了最終的用戶產(chǎn)品。這意味著整合本身就需要很強的評判、界定和融合能力。作為裁剪相對應(yīng)的部分，這一概念也是本書中強調(diào)的重點之一。
　　透明可測性設(shè)計
　　復(fù)雜系統(tǒng)性能和可靠性的保障，不完全靠認真，或者負責(zé)任，還必須依靠合理有效的方法去保障，其中每個環(huán)節(jié)加入透明可測設(shè)計，是非常有效的。此類方法是故障隔離的前提，盡管在設(shè)計的初期會產(chǎn)生性能或用戶體驗的下降，但在系統(tǒng)成熟的過程中，其優(yōu)勢會充分體現(xiàn)出來。
　　5�� 發(fā)展與變化
　　電子和IT領(lǐng)域中有一個重要的特點，就是變化快，思想和感悟難于沉淀，嵌入式系統(tǒng)同樣難以逃離這樣的規(guī)律。本書試圖將抽象的模型、體系判據(jù)和工程方法與具體的商業(yè)產(chǎn)品分開，減少變化引起的沖擊。由于書中主要采用了系統(tǒng)辯證的方法去解釋和闡述，使得該書作為教材具有較強的適應(yīng)力。盡管如此，也很難以書面的方式應(yīng)對所有的問題，因此本書在出版的同時，也在南開大學(xué)嵌入式系統(tǒng)與信息安全實驗室的網(wǎng)站上專門開辟了《嵌入式系統(tǒng)原理》論壇，歡迎關(guān)注該書的專家、教師、讀者和同學(xué)多多參與這樣的互動，發(fā)表您的寶貴意見，與我們一起努力，幫助這本教材的成長。