火星探測(cè)器探索太空的實(shí)現(xiàn)，賦予了人類更大的想象空間；高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中全球范圍內(nèi)的精確制導(dǎo)攻擊，帶來(lái)了全球性的安全隱患；植入人體的電子起搏器，挽救了無(wú)數(shù)人的生命；成千上萬(wàn)大規(guī)模使用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，在軍事、環(huán)保和建筑測(cè)量等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可限量的作用。從現(xiàn)實(shí)的角度來(lái)說(shuō)，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(duì)獨(dú)立的理論將它們統(tǒng)一起來(lái)嗎？
　　人們可以忍受PC死機(jī)，但絕不允許家里的電視死機(jī)；而汽車的調(diào)速系統(tǒng)和飛行器的制導(dǎo)系統(tǒng)在運(yùn)行中更不能出問(wèn)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(jī)、數(shù)碼音樂(lè)播放器、手持游戲機(jī)、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)和電視機(jī)頂盒等大量消費(fèi)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(rèn)為是計(jì)算機(jī)的全部和將Windows認(rèn)為是操作系統(tǒng)的全部一樣，這些是誰(shuí)的錯(cuò)？
　　以上問(wèn)題，通過(guò)本書(shū)可以找到答案。
　　二、寫作動(dòng)機(jī)
　　1�� 學(xué)科整合感受
　　1998年，從香港做博士后歸來(lái)后，在南開(kāi)大學(xué)建立了“嵌入式系統(tǒng)與信息安全”實(shí)驗(yàn)室，全面開(kāi)始對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行抽象和針對(duì)性研究。從帶有網(wǎng)絡(luò)控制性質(zhì)的自動(dòng)售貨機(jī)，到具有消費(fèi)類電子的基于Linux的手持電子閱讀器，其間主持了兩個(gè)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)控制中的實(shí)踐，體會(huì)到了自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)兩個(gè)專業(yè)角度體會(huì)嵌入式系統(tǒng)的不同。想將此種感受紀(jì)錄和抽象出來(lái)是寫作本書(shū)的動(dòng)機(jī)之一。
　　2�薄】蒲�、產(chǎn)業(yè)體驗(yàn)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(dòng)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(jì)算機(jī)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(huì)到教育、工業(yè)和商業(yè)方面的區(qū)別。這種感悟和體會(huì)的紀(jì)錄，便是寫作本書(shū)的動(dòng)機(jī)之二。
　　3�� 教學(xué)培養(yǎng)壓力
　　從2003年開(kāi)始，在南開(kāi)大學(xué)為信息學(xué)院的碩士研究生開(kāi)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(kāi)始為學(xué)院本科主講“嵌入式系統(tǒng)”以來(lái)，面對(duì)學(xué)生缺乏基本專業(yè)知識(shí)，市面參考書(shū)目良莠不齊，國(guó)外教材與國(guó)內(nèi)難以同步，網(wǎng)絡(luò)資源缺乏權(quán)威和嚴(yán)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(shū)的主要?jiǎng)恿Γ?br>　　2004年開(kāi)始規(guī)劃，至今已經(jīng)跨越了四個(gè)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(kāi)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(duì)系統(tǒng)評(píng)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(shū)中稱作對(duì)象體系）中含有專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；
　　將專用計(jì)算機(jī)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(shū)中強(qiáng)調(diào)后者，即“將專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用設(shè)備系統(tǒng)中”，但也不絕對(duì)否認(rèn)前者，因?yàn)榍罢呤呛芏鄦纹瑱C(jī)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(gè)角度來(lái)說(shuō)，本書(shū)作為教材是兼收并蓄的，而不是學(xué)術(shù)極化。
　　本書(shū)依據(jù)嵌入式系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)、交換和可信四個(gè)主軸，為現(xiàn)存的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)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(shū)的劃分，將WinCE系統(tǒng)劃分為：可崩潰可交換非可信非實(shí)時(shí)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(píng)價(jià)周邊的嵌入式系統(tǒng)。這一點(diǎn)應(yīng)該是本教材的突破，既屏蔽應(yīng)用和商業(yè)帶來(lái)的障礙，又提高了學(xué)習(xí)過(guò)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(shū)將系統(tǒng)細(xì)分為五層，主要思想來(lái)源于PC產(chǎn)業(yè)的細(xì)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(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分離，同時(shí)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(shū)中強(qiáng)化了最小系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)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(shū)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(qiáng)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(shí)，書(shū)中強(qiáng)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(biāo)的控制數(shù)學(xué)模型。
　　3�� 評(píng)價(jià)體系
　　系統(tǒng)與平衡
　　對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，很難用絕對(duì)的方式進(jìn)行衡量，就像人的健康狀態(tài)，極化任何一個(gè)方面，都可能造成誤導(dǎo)。因此，建立嵌入式系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系，應(yīng)從系統(tǒng)和平衡的著眼點(diǎn)進(jìn)行考量。
　　過(guò)程與生存環(huán)境
　　評(píng)價(jià)應(yīng)該包括嵌入式系統(tǒng)的全過(guò)程，從系統(tǒng)的創(chuàng)建、設(shè)計(jì)、制造，到運(yùn)行/維護(hù)和消亡，也因此形成了設(shè)計(jì)空間、制造空間、運(yùn)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(shū)中相對(duì)強(qiáng)化了該點(diǎn)，這些在本書(shū)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(duì)象體系既息息相關(guān)，又有制約和干擾。表達(dá)方式上，書(shū)中采用了蜘蛛圖進(jìn)行描述，比較形象。整體的評(píng)價(jià)體系充分的吸收了我國(guó)傳統(tǒng)陰陽(yáng)系統(tǒng)二元邏輯，多級(jí)對(duì)稱的精髓，注重在很多方面強(qiáng)調(diào)了兩極互補(bǔ)、互動(dòng)的關(guān)系。例如，硬件與軟件、處理器和存儲(chǔ)、程序與數(shù)據(jù)等�？陀^地定位了大多數(shù)人強(qiáng)化嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的觀點(diǎn)，將其定位為本書(shū)定義體系下的中間件，即在設(shè)計(jì)中，工程師希望它們?cè)烬嫶笤胶茫�但在用戶使用時(shí)，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(huì)受到影響。
　　4�� 工程方法
　　嵌入式系統(tǒng)的工程方法主要強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)空間環(huán)節(jié)，以及與之密切相關(guān)的制造和維護(hù)空間。
　　時(shí)間指標(biāo)量化
　　傳統(tǒng)的控制和儀表系統(tǒng)，大都在時(shí)序控制和時(shí)間精細(xì)安排方面有著眾多的原則和理論支撐，但在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，軟件編程人員往往淡化這一概念。真對(duì)于這一方面，本書(shū)也安排了相關(guān)融合內(nèi)容，來(lái)強(qiáng)調(diào)時(shí)間量化和時(shí)序的重要性。
　　系統(tǒng)可裁剪
　　系統(tǒng)配置和條件編譯，無(wú)疑是裁減過(guò)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(shū)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(lái)使讀者了解相關(guān)的設(shè)計(jì)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(jì)人員必須具備的意識(shí)和能力。例如，Motorola公司發(fā)布的A780手機(jī)，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(qiáng)的評(píng)判、界定和融合能力。作為裁剪相對(duì)應(yīng)的部分，這一概念也是本書(shū)中強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)之一。
　　透明可測(cè)性設(shè)計(jì)
　　復(fù)雜系統(tǒng)性能和可靠性的保障，不完全靠認(rèn)真，或者負(fù)責(zé)任，還必須依靠合理有效的方法去保障，其中每個(gè)環(huán)節(jié)加入透明可測(cè)設(shè)計(jì)，是非常有效的。此類方法是故障隔離的前提，盡管在設(shè)計(jì)的初期會(huì)產(chǎn)生性能或用戶體驗(yàn)的下降，但在系統(tǒng)成熟的過(guò)程中，其優(yōu)勢(shì)會(huì)充分體現(xiàn)出來(lái)。
　　5�� 發(fā)展與變化
　　電子和IT領(lǐng)域中有一個(gè)重要的特點(diǎn)，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(shū)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(kāi)，減少變化引起的沖擊。由于書(shū)中主要采用了系統(tǒng)辯證的方法去解釋和闡述，使得該書(shū)作為教材具有較強(qiáng)的適應(yīng)力。盡管如此，也很難以書(shū)面的方式應(yīng)對(duì)所有的問(wèn)題，因此本書(shū)在出版的同時(shí)，也在南開(kāi)大學(xué)嵌入式系統(tǒng)與信息安全實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站上專門開(kāi)辟了《嵌入式系統(tǒng)原理》論壇，歡迎關(guān)注該書(shū)的專家、教師、讀者和同學(xué)多多參與這樣的互動(dòng)，發(fā)表您的寶貴意見(jiàn)，與我們一起努力，幫助這本教材的成長(zhǎng)。