從架構(gòu)、原理到設(shè)計(jì)的多維融合嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系構(gòu)建

（西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710129）

摘 要：分析嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系特點(diǎn)與內(nèi)涵，闡述從架構(gòu)、原理至設(shè)計(jì)的知識(shí)體系的構(gòu)建思路，探討重構(gòu)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容的具體方法，提出一種多維融合的新的知識(shí)體系和教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；知識(shí)體系；多維融合；共性模型；教學(xué)模式

1 背 景

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展已開(kāi)始邁入微型化、信息物理融合以及智能化的時(shí)代，是物聯(lián)網(wǎng)、智能制造等眾多領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)變革和跨越式發(fā)展的重要支撐。深入、全面地學(xué)習(xí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)是進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的首要步驟，也是進(jìn)一步開(kāi)展具體領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)[1-4]。

嵌入式系統(tǒng)具有完整、龐大的獨(dú)特知識(shí)體系，該課程的內(nèi)容體系組織和教學(xué)方法在近年來(lái)已被廣泛地討論和研究[1，4]。隨著知識(shí)體系的不斷演化，如何有效地梳理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)以構(gòu)建完整的知識(shí)框架，如何在不失一般性的前提下突出每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的嵌入式特性，如何穿透每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)外部機(jī)理并實(shí)現(xiàn)不同知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，以及如何實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐能力轉(zhuǎn)化等，都已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革中亟待重新考慮的問(wèn)題。與此同時(shí)，專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的目的不應(yīng)僅停留在掌握知識(shí)內(nèi)容本身，還應(yīng)致力于知識(shí)體系的完善、對(duì)優(yōu)秀思想的借鑒、思維方式的培養(yǎng)以及綜合能力的提升。為此，在前期教學(xué)研究的基礎(chǔ)上[2]，筆者結(jié)合多年來(lái)對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)的探索、教材編著以及承擔(dān)的教學(xué)改革工作，總結(jié)、探討了“從架構(gòu)、原理到設(shè)計(jì)，從共性模型到具體實(shí)現(xiàn)、從宏觀(guān)特性到微觀(guān)原理、從硬件邏輯到軟件機(jī)制等”的多維融合知識(shí)體系構(gòu)建方法和課程教學(xué)模式。

2 知識(shí)體系特點(diǎn)分析

2.1 知識(shí)高度綜合且又“大象無(wú)形”

嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其知識(shí)體系具有高度綜合、知識(shí)與技術(shù)密集等特征。不同于內(nèi)容具體的專(zhuān)業(yè)課程，嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系并不是單一的、具體的，而是蘊(yùn)含于形形色色的嵌入式系統(tǒng)中，大象無(wú)形。究其原因，不論是處理器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)等硬件的架構(gòu)、接口和類(lèi)型，還是所采用嵌入式操作系統(tǒng)、軟件架構(gòu)、編程語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)方式等，都具有豐富多樣的形式。圍繞特定軟硬件所構(gòu)建的知識(shí)體系強(qiáng)調(diào)了該類(lèi)軟硬件的具體設(shè)計(jì)、外部功能和特性，不具備代表性，也不利于學(xué)習(xí)者全面、深刻地進(jìn)行學(xué)習(xí)。為此，在重構(gòu)課程內(nèi)容時(shí)就需要突出共性和系統(tǒng)性，既能以共性歸納和模型抽象的方式來(lái)討論知識(shí)原理，又能以多維角度進(jìn)行理論、原理、設(shè)計(jì)的有機(jī)融合。

2.2 “嵌入式”特性不斷演化和豐富

嵌入式系統(tǒng)是一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它在計(jì)算結(jié)構(gòu)上與通用計(jì)算機(jī)相似，但又存在差異。嵌入式系統(tǒng)的差異性主要體現(xiàn)在面向具體應(yīng)用、軟硬件可定制、資源相對(duì)受限等，同時(shí)在計(jì)算性能、可靠性、體積、重量、功耗等方面具有特殊要求，這使得嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件都呈現(xiàn)出豐富的“嵌入式”內(nèi)涵。

2.2.1 硬件體系與設(shè)計(jì)

處理器子系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的核心，可以基于MPU、MCU、DSP或So（P）C等不同的嵌入式處理單元設(shè)計(jì)。其中，除了MPU與通用處理器較為相似、通用性較強(qiáng)以外，其他處理器的微架構(gòu)、指令集、片內(nèi)資源等均各具特色，要獨(dú)立且又對(duì)照地分析和討論。嵌入式存儲(chǔ)子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理方面大都具有特殊性，其分級(jí)的存儲(chǔ)子系統(tǒng)體系一般由處理器的片內(nèi)、片外存儲(chǔ)資源構(gòu)成，并涵蓋RAM、ROM、FIFO以及NVRAM等多種存儲(chǔ)器類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)形式豐富。另外，隨著新型混合存儲(chǔ)器的應(yīng)用，存儲(chǔ)子系統(tǒng)的組成也開(kāi)始朝著簡(jiǎn)約化的方向發(fā)展，這也進(jìn)一步影響著嵌入式軟件架構(gòu)、啟動(dòng)過(guò)程和資源管理等機(jī)制的設(shè)計(jì)。除此之外，嵌入式系統(tǒng)所使用的內(nèi)部、外部總線(xiàn)以及形形色色的I/O接口等也都有其獨(dú)特性。顯然，課堂上首先需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)的這些特性進(jìn)行深入討論。

2.2.2 軟件架構(gòu)與機(jī)制

在通用軟件體系中，軟件基于操作系統(tǒng)運(yùn)行，軟件設(shè)計(jì)者無(wú)需關(guān)注系統(tǒng)底層的軟硬件細(xì)節(jié)。然而在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，軟件設(shè)計(jì)一方面需要關(guān)注軟件的體系架構(gòu)、啟動(dòng)與引導(dǎo)方式、代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)機(jī)制、軟件的分區(qū)運(yùn)行、特定I/O接口的驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)層面的內(nèi)容；另一方面，由于應(yīng)用軟件的算法和邏輯大都和系統(tǒng)層軟硬件存在密切的交互，因此不同層軟件的開(kāi)發(fā)者需要熟悉或在不同程度掌握系統(tǒng)軟硬件的知識(shí)，如BSP的開(kāi)發(fā)者要熟悉硬件總體設(shè)計(jì)、機(jī)制以及嵌入式操作系統(tǒng)的基本屬性與交互接口，驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)者需要熟悉具體硬件的邏輯、資源及特定的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法等。

嵌入式軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)被基本地劃分為基于裸機(jī)的軟件和基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件。隨著多核高性能硬件、網(wǎng)絡(luò)組件、智能硬件以及實(shí)時(shí)、可靠等應(yīng)用需求的發(fā)展，嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)不斷演化，逐步形成了網(wǎng)絡(luò)化軟件架構(gòu)、基于嵌入式中間件的軟件架構(gòu)以及基于虛擬機(jī)管理程序的嵌入式軟件結(jié)構(gòu)等。與此同時(shí)，軟硬件緊密耦合使得嵌入式軟件的機(jī)制更為靈活，設(shè)計(jì)者可通過(guò)拓展軟件邏輯來(lái)彌補(bǔ)硬件的缺陷或優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，可以通過(guò)在嵌入式文件系統(tǒng)中部署磨損均衡等機(jī)制來(lái)提高Flash的使用壽命，在軟件邏輯中增加濾波邏輯來(lái)消除硬件中可能無(wú)法避免的抖動(dòng)及毛刺信號(hào)，又或者在軟件中通過(guò)智能的軟件判斷來(lái)消除錯(cuò)誤或降低系統(tǒng)功耗等。嵌入式軟件體系的諸多演化將使得嵌入式軟件組件以及軟件的設(shè)計(jì)方法也將隨之發(fā)生改變，相關(guān)知識(shí)需要不斷更新。

2.2.3 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要考慮軟硬件界面的劃分，是一個(gè)軟硬件協(xié)同的規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程，而嵌入式硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法各有不同且又密切聯(lián)系。嵌入式硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要取決于體系結(jié)構(gòu)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)等先修課程，而并非自成一體。其共性基礎(chǔ)是數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)，在具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還可能會(huì)使用到模擬電路、高頻電路、電磁兼容、低功耗等設(shè)計(jì)技術(shù)。嵌入式軟件的設(shè)計(jì)具有相對(duì)獨(dú)立性和完整性，開(kāi)發(fā)過(guò)程一般包括交叉編譯、遠(yuǎn)程調(diào)試、交叉編譯以及Monitor代理、JTAG調(diào)試接口等相關(guān)的軟硬件原理和機(jī)制，設(shè)計(jì)方法也不斷演化和豐富。另外，隨著傳統(tǒng)軟件工程方法日益受到挑戰(zhàn)，模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)（MDD）等新的嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法不斷發(fā)展，并在近年來(lái)被越來(lái)越多地關(guān)注和應(yīng)用。這些都應(yīng)該是新型嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系的組成部分。

嵌入式系統(tǒng)的功能和性能驗(yàn)證具有軟硬件融合特性以及運(yùn)行時(shí)特性?！败浻布诤稀币馕吨浖δ苤挥型ㄟ^(guò)在目標(biāo)硬件上的一體化調(diào)試、測(cè)試和驗(yàn)證才能證明其正確性；“運(yùn)行時(shí)”特性則表示調(diào)試、測(cè)試等驗(yàn)證操作不應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行過(guò)程造成干擾。這在使用了中斷機(jī)制或具有實(shí)時(shí)性約束的嵌入式系統(tǒng)中尤其突出。另外，對(duì)于信息物理系統(tǒng)還可能需要進(jìn)行基于場(chǎng)景的仿真驗(yàn)證。

綜上所述，只有在不斷完善和清晰梳理知識(shí)脈絡(luò)的基礎(chǔ)上，突出各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的嵌入式特性與原理，并以系統(tǒng)化的方式來(lái)綜合分析這些知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，才能構(gòu)建出一個(gè)立體的、多維融合的知識(shí)體系。

3 構(gòu)建多維度的立體知識(shí)體系

采用多維度的方式來(lái)構(gòu)建立體的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系，將有效地穿透各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合材料、物理等基礎(chǔ)知識(shí)，促進(jìn)整個(gè)知識(shí)體系的融會(huì)貫通。這既有助于學(xué)習(xí)者系統(tǒng)、深入地掌握相關(guān)原理和機(jī)制，也能訓(xùn)練學(xué)生從多個(gè)視角分析問(wèn)題的綜合能力和多維度思維。

3.1 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)脈絡(luò)梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)

拋開(kāi)具體的應(yīng)用功能，各類(lèi)嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上首先是各種各樣的以數(shù)字處理單元為核心的計(jì)算裝置，具有多樣、完整的計(jì)算架構(gòu)。因此，在梳理嵌入式系統(tǒng)知識(shí)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述諸多“嵌入式”特性對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展、深化和完善才可以構(gòu)造出符合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)特征的知識(shí)體系。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)探索和總結(jié)，我們提出如圖1所示的“嵌入式系統(tǒng)”課程知識(shí)體系框架[5]。

圖1中，緒論部分以討論嵌入式系統(tǒng)的基本概念和內(nèi)涵為主題，從基礎(chǔ)研究、技術(shù)形態(tài)、核心內(nèi)涵及演化歷程等方面分析了嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系的總體結(jié)構(gòu)、組成和特點(diǎn)。第二章梳理了嵌入式硬件相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)是與后續(xù)內(nèi)容密切相關(guān)的電路符號(hào)、器件以及硬件子系統(tǒng)組成、典型硬件形式、硬件設(shè)計(jì)基本方法等。該章內(nèi)容有助于建立起對(duì)硬件的基本認(rèn)識(shí)，以及提升初學(xué)者閱讀電路原理圖以及設(shè)計(jì)硬件電路的能力，是開(kāi)展后續(xù)學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。第三、四章分別分析了嵌入式處理器子系統(tǒng)和存儲(chǔ)子系統(tǒng)的架構(gòu)、原理與特性，探討共性原理和個(gè)體特性。之后，圍繞最小計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展方法，在第五、六章重點(diǎn)闡述電源、復(fù)位、時(shí)鐘等外圍電路以及典型接口與總線(xiàn)的特性、機(jī)理和設(shè)計(jì)方式。至此，嵌入式硬件部分的知識(shí)構(gòu)成已比較完整，以此為基礎(chǔ)可以過(guò)渡到嵌入式軟件的相關(guān)內(nèi)容。第七章對(duì)嵌入式軟件的經(jīng)典體系架構(gòu)及衍生結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)和分析，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程重點(diǎn)討論Boot Loader、BSP、虛擬機(jī)監(jiān)控程序等基礎(chǔ)軟件組件。第八、九章分別分析和討論嵌入式操作系統(tǒng)共性模型與機(jī)制、具體實(shí)現(xiàn)，以及圖形庫(kù)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等典型的嵌入式軟件組件。第十章以軟件與硬件、宏觀(guān)與微觀(guān)、系統(tǒng)/工具軟件與應(yīng)用軟件相結(jié)合的維度，以方法與實(shí)例結(jié)合的方式，闡述嵌入式應(yīng)用軟件的基本結(jié)構(gòu)、典型設(shè)計(jì)機(jī)制等內(nèi)容。最后，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，對(duì)典型的調(diào)試、測(cè)試、仿真等方法進(jìn)行論述，補(bǔ)齊本知識(shí)體系的最后一塊拼圖。

3.2 從共性模型到具體對(duì)象的漸進(jìn)式教學(xué)

針對(duì)上述特點(diǎn)和問(wèn)題，除第一章之外，筆者在內(nèi)容安排上嘗試了盡可能從各知識(shí)點(diǎn)的共性模型入手，逐步過(guò)渡到具體原理和技術(shù)，同時(shí)采用了理論與實(shí)例相結(jié)合的內(nèi)容組織方法。

3.2.1 總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件形式

緊扣IEEE Std 1003.13?-2003給出的嵌入式系統(tǒng)定義，將嵌入式系統(tǒng)的形式歸納為3種基本形態(tài)，即嵌入通用計(jì)算機(jī)型、基于領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)模塊集成的嵌入式硬件以及面向具體應(yīng)用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用嵌入式應(yīng)用。這3種硬件的專(zhuān)用性、設(shè)計(jì)成本、適用性都依次增強(qiáng)，集成度、性能等也不斷提升。在歸納這些特性的基礎(chǔ)上，以典型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單板計(jì)算機(jī)以及智能手機(jī)嵌入式硬件為具體示例來(lái)分析這些不同類(lèi)型嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

3.2.2 梳理硬件子系統(tǒng)模型和特性

化整為零，以模塊化的方式分解大系統(tǒng)，有助于清晰、深入地討論每一個(gè)知識(shí)板塊。嵌入式系統(tǒng)硬件中的處理器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、I/O子系統(tǒng)及時(shí)鐘子系統(tǒng)等各具特點(diǎn)，需要采用不同的方式進(jìn)行討論。例如，對(duì)嵌入式子系統(tǒng)的討論要重點(diǎn)圍繞嵌入式處理器展開(kāi)，進(jìn)而要從處理器的微架構(gòu)、指令集、寄存器資源、I/O、功耗等角度共性地描述不同類(lèi)型嵌入式處理器的基本模型?；诖?，可以進(jìn)一步將這些模型、機(jī)制映射到ARM、MIPS、PowerPC等典型處理器體系結(jié)構(gòu)以及代表性的處理器芯片實(shí)現(xiàn)，分析這些模型、機(jī)制在具體芯片實(shí)現(xiàn)中的設(shè)計(jì)方式及其外部特性。首先應(yīng)討論如何建立存儲(chǔ)子系統(tǒng)的分級(jí)存儲(chǔ)體系以及基于片內(nèi)存儲(chǔ)資源和片內(nèi)、片外存儲(chǔ)資源相結(jié)合的典型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。之后，可以從嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)特性的角度來(lái)分析和討論該子系統(tǒng)的體系與特點(diǎn)。另外，嵌入式系統(tǒng)的I/O是非常多元的，組織內(nèi)容時(shí)應(yīng)該從I/O結(jié)構(gòu)、寄存器等共性機(jī)制著手，而時(shí)鐘子系統(tǒng)的討論則可從單時(shí)鐘電路、多時(shí)鐘電路逐步進(jìn)展到可配置的時(shí)鐘樹(shù)機(jī)制等。

3.2.3 歸納嵌入式軟件體系與結(jié)構(gòu)

將嵌入式軟件結(jié)構(gòu)劃分為裸機(jī)軟件和基于嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式軟件是合理的，但這種方式仍然過(guò)于簡(jiǎn)單。受不同因素的影響，嵌入式軟件體系不斷演化和豐富。例如，考慮軟件的可移植性就形成了可移植的嵌入式軟件結(jié)構(gòu)；又如，在整合特定領(lǐng)域共性軟件服務(wù)的基礎(chǔ)上，形成了基于軟件中間件的嵌入式軟件結(jié)構(gòu)等。近年來(lái)，隨著多核處理器及嵌入式虛擬化技術(shù)的發(fā)展，具有隔離安全特性的分區(qū)式嵌入式軟件體系也被越來(lái)越多地采用，嵌入式軟件設(shè)計(jì)開(kāi)始朝著分層和分區(qū)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展。因此，歸納這些經(jīng)典的、新興的嵌入式應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)也就成為梳理嵌入式軟件體系的重要方面。在嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方面，課程內(nèi)容中既要討論輪詢(xún)、帶中斷的輪詢(xún)等典型軟件結(jié)構(gòu)的原理和特性，也要討論典型的實(shí)現(xiàn)形式，如一次執(zhí)行、無(wú)限循環(huán)、中斷等。

3.2.4 提煉EOS內(nèi)核中的共性機(jī)制

操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程本身就是一部解決計(jì)算需求和問(wèn)題的歷史。嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展也不例外，其源自通用操作系統(tǒng)技術(shù)，又密切結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需求。類(lèi)似于嵌入式處理器，嵌入式操作系統(tǒng)的種類(lèi)豐富多樣，在體系、機(jī)制、功能、性能等方面各具特點(diǎn)。為了便于學(xué)習(xí)者全面地理解、掌握其主要原理和技術(shù)，課程內(nèi)容中就應(yīng)該歸納和提煉不同操作系統(tǒng)的共性特征，而不是以某個(gè)具體EOS作為唯一的學(xué)習(xí)對(duì)象。經(jīng)歸納，EOS部分的內(nèi)容主要可歸類(lèi)為架構(gòu)模型和服務(wù)機(jī)制兩個(gè)主要方面。EOS架構(gòu)模型主要包括微內(nèi)核/超微內(nèi)核架構(gòu)、功能模型、衍生模型及主流的開(kāi)發(fā)平臺(tái)框架，而服務(wù)機(jī)制則包括內(nèi)核、任務(wù)及任務(wù)狀態(tài)、任務(wù)調(diào)度與管理、中斷與異常、實(shí)時(shí)服務(wù)、任務(wù)間通信與協(xié)同、存儲(chǔ)管理等機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)課程內(nèi)容就可以“由簡(jiǎn)至繁”地選擇一組典型的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)理論原理與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的呼應(yīng)與融合。

3.3 多角度、多層次的知識(shí)原理綜合探討

嵌入式系統(tǒng)的諸多知識(shí)點(diǎn)之間都存在著密切、有機(jī)的聯(lián)系，以多角度、多層次綜合的方式對(duì)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)縱深穿透和多點(diǎn)橫向關(guān)聯(lián)對(duì)于提高課程質(zhì)量將是非常有意義的，這對(duì)于研究型專(zhuān)業(yè)人才的思維和能力培養(yǎng)尤為重要。在之前模塊化、模型化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步基于“從宏觀(guān)特性到微觀(guān)機(jī)制、從理論原理到具體設(shè)計(jì)以及軟件與硬件相結(jié)合”的指導(dǎo)思想進(jìn)行內(nèi)容梳理，可以深度發(fā)掘各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵及其延伸。例如，對(duì)時(shí)鐘電路機(jī)制的討論可以簡(jiǎn)要地從正弦波振蕩電路以及RC、LC、石英晶體振蕩電路的原理和結(jié)構(gòu)入手。在闡明相關(guān)物理原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析和討論復(fù)雜系統(tǒng)中的多時(shí)鐘電路、處理器時(shí)鐘樹(shù)以及時(shí)鐘的配置、管理等機(jī)制。對(duì)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)部分，首先要闡述各類(lèi)存儲(chǔ)器的內(nèi)部機(jī)制、外部接口和訪(fǎng)問(wèn)特性，進(jìn)而簡(jiǎn)要闡明不同類(lèi)型存儲(chǔ)元的微電路結(jié)構(gòu)，如E2PROM采用的FLOTOX管、Flash采用的新型隧道氧化層MOS管、FRAM采用的PZT型CMOS管等。透過(guò)對(duì)這些微電路的物理結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體材料屬性以及熱電子、能量勢(shì)壘等物理效應(yīng)的分析，將能更為清晰地分析存儲(chǔ)器機(jī)制與特性。以Flash為例，微電路特性決定了存儲(chǔ)元的訪(fǎng)問(wèn)速度會(huì)隨著擦寫(xiě)次數(shù)的增加而降低，存儲(chǔ)元隧道二氧化硅層中陷落的電子越來(lái)越多，其擦除周期越來(lái)越長(zhǎng)，且在數(shù)十萬(wàn)次擦寫(xiě)后最終失效。因此，F(xiàn)lash中的各個(gè)存儲(chǔ)元都應(yīng)該被均勻地擦寫(xiě)?？紤]這一特征，傳統(tǒng)的磁盤(pán)型文件系統(tǒng)也不再適合于Flash存儲(chǔ)介質(zhì)，因此，就需要設(shè)計(jì)具有磨損均衡和位糾錯(cuò)能力的訪(fǎng)問(wèn)軟件或文件系統(tǒng)。

以前后臺(tái)或多任務(wù)嵌入式軟件中的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題為例進(jìn)行分析[5-6]。中斷服務(wù)程序打斷正在訪(fǎng)問(wèn)共享數(shù)據(jù)的后臺(tái)任務(wù)進(jìn)行共享變量的寫(xiě)入操作，將會(huì)導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)被破壞進(jìn)而引起系統(tǒng)的邏輯錯(cuò)誤，這稱(chēng)之為數(shù)據(jù)共享問(wèn)題。顯然，只要保證后臺(tái)任務(wù)能夠不被中斷地、“一次性”地完成共享數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)，就能夠避免或解決數(shù)據(jù)共享問(wèn)題。然而，當(dāng)我們從微觀(guān)、硬件或系統(tǒng)軟件等多維度綜合分析各種解決方案時(shí)，一些在形式上看似可行的方案卻又行不通。這或者因?yàn)閿?shù)據(jù)寬度大于寄存器寬度，或者因?yàn)橐粭l高級(jí)語(yǔ)言代碼對(duì)應(yīng)于多條匯編指令，或者因?yàn)殚_(kāi)關(guān)中斷時(shí)可能存在邏輯漏洞，又或者因?yàn)榫幾g器的優(yōu)化功能刪除了解決問(wèn)題的有效代碼等[6]。因此，嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享與硬件體系、中斷機(jī)制、編譯器等密切相關(guān)，要徹底地解決類(lèi)似問(wèn)題，設(shè)計(jì)中就需要從硬件結(jié)構(gòu)、微觀(guān)特性、算法邏輯、工具軟件等多個(gè)角度來(lái)進(jìn)行綜合考慮。這也說(shuō)明以采用多維度的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)和討論嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是非常必要的。

3.4 發(fā)展歷程中的經(jīng)典示例與他山之石

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)以及設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的途徑豐富多樣，通常不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中WINTEL架構(gòu)的技術(shù)壟斷。這為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供了非常廣闊的創(chuàng)新空間。實(shí)際上，在計(jì)算技術(shù)體系的發(fā)展中創(chuàng)造和創(chuàng)新一直層出不窮，也涌現(xiàn)出諸多勵(lì)志的事例。例如，鐵電存儲(chǔ)器的概念是由MIT的研究生Dudley Allen Buck在其碩士論文中率先提出的。瑞典梅拉達(dá)倫大學(xué)的博士生Adam Dunkels自行設(shè)計(jì)了LwIP（輕量互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）、μIP（微型互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議），已演化為著名的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Contiki。20世紀(jì)90年代末，清華大學(xué)在研制國(guó)內(nèi)第一臺(tái)產(chǎn)品化虛擬軸機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法找到適合其嵌入式Linux操作系統(tǒng)的圖形庫(kù)，而自行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了MiniGUI，現(xiàn)在MiniGUI已成為被廣泛使用的著名嵌入式圖形庫(kù)系統(tǒng)。在知識(shí)體系中穿插地引入這些經(jīng)典事例，一方面會(huì)有助于潤(rùn)色課程內(nèi)容，讓知識(shí)體系更為飽滿(mǎn)和生動(dòng)。另一方面，也有利于學(xué)習(xí)者了解技術(shù)背后的歷史和來(lái)龍去脈，讓學(xué)習(xí)者從這些事例閱讀中汲取精神的營(yíng)養(yǎng)，受到激勵(lì)和鼓舞，進(jìn)而以創(chuàng)新的思維和積極的態(tài)度去迎接挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者所提出的多維融合知識(shí)體系適合于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生或研究生的培養(yǎng)體系。多年的教學(xué)實(shí)踐和反饋分析表明，采用上述知識(shí)體系和教學(xué)模式可以有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握并提高課程的整體教學(xué)質(zhì)量。下一步將在不斷完善課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)教學(xué)模式和方法進(jìn)行探索和優(yōu)化。

基金項(xiàng)目： 2016年度西北工業(yè)大學(xué)教學(xué)與考核模式改革課題項(xiàng)目（校教字[2016]485號(hào)）；2016年度西北工業(yè)大學(xué)專(zhuān)項(xiàng)教材計(jì)劃項(xiàng)目（校教字[2016]216號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：張凱龍，男，工學(xué)博士，法國(guó)國(guó)立巴黎高等礦業(yè)學(xué)校（MINES ParisTech ）博士后，副教授，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)委會(huì)常務(wù)委員、系統(tǒng)軟件專(zhuān)委會(huì)委員，研究方向?yàn)闄C(jī)器人與實(shí)時(shí)智能系統(tǒng)、自適應(yīng)嵌入實(shí)時(shí)計(jì)算等技術(shù)，主講“嵌入式（計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)”“Real-Time Intelligent System Design”等課程，kl.zhang@nwpu.edu.cn。

參考文獻(xiàn)：

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[4]蔣銀珍， 王宜懷. 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2011（18）： 46-48.

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[6]西蒙. 嵌入式系統(tǒng)軟件教程[M]. 陳向群， 等譯. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005： 49-68.

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）