嵌入式系统学科定义的理论探讨

嵌入式系统学科定义的理论探讨

李强

（韶关学院计算机科学学院，广东韶关512005）

学科建设对于高校至关重要.学科分类是知识、技术体系的划分方法，学科定义清晰与否，直接关系到高校人才培养的目标定位和学科建设的质量.通过学科分类的方法，对新兴高技术学科专业——嵌入式系统专业的特点进行理论探讨，从高校中对嵌入式系统专业教学需求出发，对嵌入式系统专业的学科定义给出了一个较为全面定义.

学科定义；工科；嵌入式系统；开放式系统

嵌入式系统专业是典型的工科类专业.所谓工科是指在基础理论科学的基础上，结合理论研究、应用研究和工程实践经验的积累而发展起来的应用学科.

工科专业的培养目标是：培养在工程领域中从事设计、研究、制造和管理等方面工作的工程技术人才，培养有实际应用能力的高级工程技术人员.

转变人才培养观念，改革人才培养模式，用人才多元化评价标准引导人才培养模式的改革，是目前高校关注的焦点.很多高校为了适应教育改革的需要，培养未来适合市场要求的人才，都在积极开设嵌入式等新兴高新技术专业.

随着高校近年来嵌入式专业人才培养工作的开展，笔者对有关嵌入式方面的课程体系建设、教学研究、实验研究、教材编写，师资培养等学科建设方面的工作，取得了一些经验，获得了一些成果.但有关嵌入式系统定义问题依然需要澄清，以利于今后的教学改革.

1 嵌入式系统学科定义的现状

学科是知识体系、技术体系的必要分类.这种分类，有利于学生、特别是初入门者去学习知识、掌握技术.设置一门学科，开设相应的专业，首先就应当明确该学科的定义.

嵌入式系统作为一门学科，应该有概念明确的、可以精确陈述的学科定义，有明晰的知识支持体系，有清楚的技术边缘划分.这样，才能够有效的进行嵌入式系统专业的人才培养，有效的进行嵌入式系统的教学研究、科学研究活动，保证人才培养质量.

对于嵌入式系统专业的师生而言，嵌入式系统学科定义是一个非常含糊的概念.翻阅有关嵌入式系统教材和有关的一些相关的嵌入式系统书籍，可以看到，嵌入式系统无清晰的定义，或者说没有能够让人们清晰理解的定义.例如：IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：“嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）［1］.该定义过于笼统，阅读此定义，读者无法形成清晰的有关嵌入式系统的概念.

国内较为普遍流行的定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统［2］.

这个定义仅从应用的角度出发，对嵌入式系统进行了一番粗略的表述，表述不完整，不精确.从某种角度看，有关的观点，也失于偏颇.总之，有关嵌入式系统的定义众说纷纭，互相争执，不一而足.这里不一一列举.要准确理解嵌入式，需要先从工科专业的分类看起.

工科专业分传统工科专业、现代工科专业和新型高技术工科专业3种.

传统的工科专业有：电工类专业、电子类专业、机械工程类专业、仪器仪表类专业等.其特点是有明显的应用行业背景，如机械工程类专业对应于传统机械工业，电子类专利对应传统电子工业，技术上也有明确的划分.

现代工科专业有：计算机科学与技术专业、信息管理专业、食品工程专业、环境化学专业等.这些专业都有明确的研究目标、明确的应用实体，技术上跨分两个以上的专业，甚至跨越文、理跨科.

新兴高技术工科专业目前有：嵌入式、物联网等专业.这些专业没有明确的行业背景划分，也没有清晰的技术边界，是在互联网、微电子、计算机、农业、工业、仪器仪表、传感器等多门学科的发展背景下，在社会需求的推动下，应运而起的学科专业.其学科涉及的行业、技术非常广泛，达到空前的规模，几乎涉及到人类所能够认知、掌握的各个方面.而且，无法形成清晰的知识层次架构，甚至也没有具体的应用目标实体，按照传统的学科定义对其定义是不可能的.

嵌入式系统作为一种新兴的工科专业，是为适应高新技术应用发展的需要、高新技术产业发展的需要，在基础科学基础上、综合现代各种应用学科门类而发展起来的边缘学科.

通过长期的嵌入式应用开发和嵌入式教学实践，笔者以为，用一句话或者简短的一段话对嵌入式系统学科作明确定义是不合理的，也是不可能的.

2 嵌入式系统学科定位

2.1学科的作用是知识、技术的分类

传统意义上，应用学科具有3个方面的含义：①应用学科是一种具有行业背景的关于知识和技术的分类实体；②应用学科具有一套特殊的定义、概念和技术方法；③应用学科有一套与其应用领域紧密相关的技术规范和研究规范.

应用学科是一种技术实体，也是一种文化体系，作为文化体系的技术学科，可以提供一个平台，方便从事该领域工作的人员学习和相互交流.

学科实质上是一种知识、技术的分类方法.它是主观的，也是客观的.客观上，学科的分类，方便了个人或者某类群体按照学科特点对知识划分界限，以便对某一类知识或者技术体系进一步的深切研究和探讨；主观上，这种划分，也是按照人们认知习惯，对知识集合进行规则和约束，以便于知识、技术门类的再组织，从学科的英文原文及其释义：Discipline——学科；释义：符合行为准则的行为，可以看出，学科所进行的知识分类的目的是为方便人们学习某一类专门的知识或者掌握某门专门技术，由此可见，学科对于高校开展专业教学的重要性.

2.2学科具有相对滞后的特性

学科划分的基本特征是专业化，反映出某类知识或者某种技术的特有的特点，以下依照边界划分的特点，尝试对学科进行分类：

第一类是纯知识学科.例如数理化等专业学科，他们的特点是有一套明确的概念定义，一套严密的公式、定理，在此基础上，有一套成熟、完整的便于人们认知、学习的知识体系，具有明确的研究对象和清晰的研究边缘.很多人在高中阶段的学习中，都已经熟悉这种分类方法.在本科阶段，若攻读传统应用专业，则学习中，会进一步强化了这种分类特征.这是因为，传统学科分类的目的在于：在有限的时间里，将学生带到比较高的专业高度上.

第二类是交叉学科.例如生物化学、化学物理、信息管理等学科专业.他们的特点是以一门，两门甚至多门学科的知识和理论为主线，融合其他相关学科的知识、方法，共同构成一门新的学科.通常也拥有一套较为完整的理论体系，有明确的研究对象.

第三类是新兴高技术学科，有学者也称其为领域性学科，或者边缘性学科.例如环境工程，生物工程，以及近年来出现的嵌入式、物联网等新兴高技术专业等.他们的特点是具有确定的研究对象，但研究工作中所使用到的知识、理论与方法很难归纳为一门或者两门传统的学科中，他们是在某一个正在兴起的行业的需求下，催生出来的学科，典型的如近年兴起的物联网、嵌入式等专业学科，我们姑且称它们为边缘学科［3］.

从上面的3类划分可以看出不同知识体系的特点：第一类学科有非常封闭、清晰的学科边缘以及精确的理论体系；第二类学科虽然也有较完整的理论体系支撑，但是学科的边缘并不严密；而第三类学科则彻底冲破了传统的学科边界，学科边缘模糊、理论和方法也来自于多种学科门类.

在学科出现的早期，人们试图对繁杂的人类知识成果进行分类，以便建立内部有紧密逻辑联系的某种理论体系，继而用这种理论去解释该学科所面对的问题，也用用这种理论体系去完成知识传承.无疑，这一时期，学科分类对于促进知识传授和科学研究有巨大的促进作用.

按照传统的观点，一个学科应用有明确的学术边界，学科的科学性就是它的内在的统一性，否则，其科学性不够严密，或者不是一个真正的学科.这一点，与当代科学的发展相矛盾.或者这种学科分类的观点已经落后.

当代学科仍然是人们的观念性的产物，在大学中将学科看作是有形的，一个大学的特点实际上就是由其学科布局决定的，教学活动也是按照学科分专业实施的.即便这样，学科依然是人们认知观念的产物.因此，是否具有内部紧密联系的核心基础知识和方法论，不是学科存在的必要条件.如果依然抱着传统的观念不放，则许多应用性学科的科学性是不够的，或者无法定义其为学科.许多应用型学科如此，新兴高技术学科更是如此.若一门学科无法精确定义，那么又如何进行人才培养目标的定位，如何开展人才培养工作.

当今，是一个人类知识发展、知识创新空前活跃的时期，学科发展面临着新的挑战..相较于传统学科，嵌入式、物联网等新兴高技术学科更注重解决现实问题..但任何现实问题都是综合性的、是不断发展的，现实中的具体问题并不完全尊照传统学科的分类，如果硬将一个现实问题削足适履放入某一个学科门类中，试图用该学科的理论、方法加以描述、解释、处理；或者在处理现实问题时，过分强调某一个学科的作用，都是不科学的，甚至是行不通的.毋庸置疑，嵌入式系统专业就是一个典型的面向现实问题的一类学科.因此，要解决嵌入式专业人才培养目标的定位问题，有效的开展人才培养教育工作，学科理论本身就需要创新.

学科创新是一个综合性的问题，学科的创新关乎到知识、技术的创新，关乎到学科的功能和价值的创新.

人类文明是需要传承的，围绕着学科建设进行专业教育的人才培养模式，依然是目前我国大多数高校的主要的教学实施方法.因此，学科分类并没有过时，但需要创新.嵌入式学科的建立，对于促进这一领域的科学研究、人才培养具有重大的意义.但如何构建该学科的理论体系，以便在学校中更好的展开理论、实验教学工作，培养高质量人才，需要大家不懈的努力，在未来科学研究、专业教学实践中不断探索.因此，相对于传统学科，嵌入式系统学科理论的发展相对于行业发展具有滞后性.

2.3嵌入式系统专业教育以培养学生的研究能力、创新能力为核心

传统工科专业把学习掌握已有的工业文明成果作为学生培养的主要目标，教学过程是知识的积累过程，掌握技能的熟练过程.教学质量评估以学生掌握知识的多寡为主.这种人才培养模式在过去相当长的时间起到了很好的作用，但是，随着时间的推移，科技发展到今天，这种方式的弊端也日益明显，单纯的注重理论知识的培养，忽视学生个人潜能、创新能力、实践能力的培养.这样培养的学生，存在着知识面狭窄、实践能力弱、适应性差的缺点，越来越不符合市场对人才培养的要求.

新兴高技术边缘性学科已经彻底冲破了传统学科之间的界限，嵌入式系统学科就是这样的.它是在基础学科、微电子技术学科、电子技术学科、控制工程学科、计算机科学与技术学科、应用目标学科等多学科的基础上发展起来的，是技术文明发展的高度知识集成，未来，它的理论、方法还会高速的发展，甚至还会派生出新的学科.因此，无法为其按照传统方式划分学科界限，该学科也不存在核心理论、基本方法和学术权威.这一点，从目前人们尝试给出的嵌入式系统的多种定义就可以看出来.

淡化学科之间的界限，重视新兴高技术学科的建设，培养创新性人才是目前高等院校学科建设的发展趋势.嵌入式学科实质上是一种不断发展的技术学科集成，学科的核心价值在于培养学生的创新能力［4］.因此，它的人才培养模式的目标，教学工作的展开，围绕着培养学生在学习、实践中形成概念的能力、解决问题的能力，独立思考的能力，独立工作的能力，新技术、新观念的价值判断能力，提出新问题的能力，具有观察不同学科之间异同的能力，等若干个能力培养方面展开.还要培养学生以研究为终生职业的理念.

因此，从学生的角度看，什么是嵌入式的概念是在校学习和未来的工作中动态形成的.从教师的角度看，就是要籍著于专业教学工作培养学生的创新意识，并不断提升自我，提高自己对新技术、新技术、新观念的理解能力，终生学习.从学科建设的角度看，就是要精心选择新技术、新知识科目、教学模式多元化，以便在教学中更好的展开创新意识的培养理念.

3 嵌入式系统的定义

既然，嵌入式系统作为一种边缘性高技术新兴学科突破了传统学科划分的界限，无核心理论、无学术权威，而且还在高速发展中，是否就无法对其进行理论定义了，回答是否定的.

学科分类具有重要的意义，对于大学而言，学科结构的安排是学科建设的关键，是决定这所大学特色的关键.学科分类的目的也在于学校能够按专业有效的实施人才培养计划.因此，依然要给出嵌入式系统定义的理论分析.为此，笔者阅读了大量的有关文献，结合多年的嵌入式系统开发、科研、教研、教学的体会，用对比的方式讨论一下有关嵌入式系统的定义.

21世纪人类最伟大的文明成果就是发明了能进行信息处理的机器——计算机.按其应用特点和开发特点，可以将计算机分为两个分支：开放式计算机系统，嵌入式计算机系统.

开放式系统是指PC机（个人微机）、工作站、小型机、大型机、巨型机等一类通用计算机，特点有：

（1）性能指标：海量数据存储、海量数据处理.通常，开放式计算机系统容量越大、速度越高，则认为其越高档，性能越强.

（2）应用特点：直接为人服务.例如：通常都带有键盘、显示器等人机接口设备.使用者可以直接操控.

（3）应用目标：普及性应用，高端性应用.普及性应用：如个人微机PC；高端应用：主要在资源勘探、天气预报、人工智能（例如与国际象棋大师博弈）等领域.

（4）开发特点：硬件组成的系列化，软件开发的标准化.以微机为例：硬件部分组成，主机用兼容的板卡拼合而成，配以标准的显示器、键盘、电源等.这样，各种电路板、卡、显示器、键盘等不限于那个厂家生产，只要兼容就可组成一台微机.应用者使用标准的开发工具软件，如：操作系统、各种编程工具、数据库开发软件、还有字处理软件，图形、图像处理软件等，这些由专门的公司开发，应用软件开发者可以一定的开发标准应用上述标准软件编制适合自己使用的应用软件，如各种信息管理系统、网络、通信应用编程等.

嵌入式系统是指最初以控制为主要应用目的的一类计算机，单片机就是典型的嵌入式系统，嵌入式系统通常以单芯片的形式出现，将CPU、存储器、I/O接口集成在一个芯片内.嵌入式系统较之开放式系统有更加广阔的应用途径，目前，全世界每年消耗的嵌入式系统芯片几十亿片，远远超过开放式系统.嵌入式系统已经突破了控制应用领域，在便携式系统、PDA系统中也得了广泛的应用，主要表现在几个方面：

（1）性能指标：追求的是够用既可，以便节省成本.例如，简单的控制场合所用的8位单片机、甚至一位机、二位机、四位机等，主频几十兆，存储器容量几个字节到几千字节不等.简单的通信接口.再如：需进行图形、图像处理的复杂的应用场合所用的32位机，存储容量可以到几十兆、上百兆，主频几百兆，甚至上千兆，有复杂的通信接口，如以太网接口，现场总线接口等.

（2）应用特点：直接服务于某个系统或者某个设备，通过提高该系统或设备的性能，从而为人间接服务.例如：所谓带电脑的微波炉，还有智能玩具、带CPU的智能仪表等.通过内部集成嵌入式系统，提高微波炉、仪器的性能，使人们更加方便的使用它.

（3）应用目标：体积、功耗有严格的要求，体积、功耗指标甚至影响到具体嵌入式系统开发是否成功.例如，一套具体的嵌入式系统，虽然功能、性能达到了需求，但体积、功耗超标，则开发失败.

（4）开发特点：硬件组成的标准化，以便节省成本，而软件开发的多样化，以便满足控制目标或者用户的多样化要求.

用相对标准化的、可以批量生产的器件搭接嵌入式系统硬件平台，而系统的最终功能由软件最好确定，以满足应用目标最后的需求［5］.也就是说，软件决定系统最后的功能、甚至影响系统最终的工作性能指标.例如，可靠性、实时性、工作精度等.

以上从应用特点、应用目标、性能指标、开发特点等方面用类比的方式给嵌入式系统下一个定义，基本概括了嵌入式系统的基本特点.

［1］李强.嵌入式系统实验教学特点的分析、研究［J］.实验技术与管理2012，27（5）：282-285.

［2］王韬.基于VxWorks的嵌入式系统实验教学设计［J］.实验室研究与探索，2007，26（1）：52-54.

［3］宋军.面向物联网的嵌入式系统实践教学的改革［J］.实验室科学，2011，14（1）：20-22.

［4］王永虹.STM32系列ARM Cortex系列微控制器原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［5］李强.51系列单片机应用软件编程技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

The study of definition about embedded system discipline

LIQiang
（Institute of Computer Science,Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The discipline construction is very important in colleges and universities.That whether the definition of discipline is clear or not,directly related to the discipline construction quality,and even influences the academic team and communication.In this paper,it studies the definition of the discipline about the embedded system based on the method of subject classification.It aims to make a more comprehensive embedded system definition for the teaching requirement of embedded system.

discipline definition；engineering；embedded system；open system

TP3-05

A

1007-5348（2014）04-0015-05

（责任编辑：欧恺）

2013-11-03

李强（1963-），男，陕西西安人，韶关学院计算机科学学院高级实验师，硕士，主要从事嵌入式系统、计算机控制等方面的应用研究.