实时嵌入式系统

　　《实时嵌入式系统》对实时嵌入式系统调度、资源访问控制、软件设计与开发以及高级系统建模、分析与验证等方面进行了综合讲解。首先概述基本概念，之后深入研究硬件组件的细节，包括处理器、内存、I/O设备和架构、通信结构、外围设备，然后介绍实时操作系统的特性。后面的章节致力于介绍实时任务调度算法和资源访问控制策略，以及优先级反转控制和死锁避免，同时还介绍了实时系统的并行系统编程和POSIX编程，以及有限状态机和时间Petri网。再接下来是软件工程师特别感兴趣的模型检查（其中讨论了时序逻辑和NuSMV模型检查工具），以及使用UML进行实时系统设计。最后探讨了软件可靠性、老化、重启、安全以及电源管理等实际问题。

　　王加存，蒙莫斯大学计算机科学与软件工程系教授。曾任职于美国北电网络公司、佛罗里达国际大学和南京理工大学。研究兴趣包括软件工程、离散事件系统、形式化方法、无线网络和实时分布式系统。
　　
　　樊卫华南京理工大学自动化学院副教授，中国自动控制理论专业委员会网络化控制系统学组委员，中国人工智能学会会员，江苏省自动化学会会员。研究方向为智能控制与智能系统，以及嵌入式系统。

出版者的话
译者序
前言

第1章 实时嵌入式系统简介
1．1 实时嵌入式系统
1．2 示例：汽车防抱死制动系统
1．2．1 侧滑率和制动力
1．2．2 ABS部件
1．2．3 ABS控制
1．3 实时嵌入式系统的特性
1．3．1 系统结构
1．3．2 实时响应
1．3．3 高度制约的环境
1．3．4 并发性
1．3．5 可预测性
1．3．6 安全性和可靠性
1．4 硬实时嵌入式系统和软实时嵌入式系统
习题
阅读建议
参考文献

第2章 硬件组件
2．1 处理器
2．1．1 微处理器
2．1．2 微控制器
2．1．3 专用集成电路
2．1．4 现场可编程门阵列
2．1．5 数字信号处理器
2．1．6 专用指令集处理器
2．1．7 多核处理器
2．1．8 冯·诺依曼结构和哈佛结构
2．1．9 复杂指令集计算机和精简指令集计算机
2．2 存储器和高速缓存
2．2．1 只读存储器
2．2．2 随机访问存储器
2．2．3 高速缓存
2．3 I/O接口
2．4 传感器和执行器
2．5 定时器和计数器
习题
阅读建议
参考文献

第3章 实时操作系统
3．1 通用操作系统的主要功能
3．1．1 进程管理
3．1．2 内存管理
3．1．3 中断管理
3．1．4 多任务
3．1．5 文件管理
3．1．6 I/O管理
3．2 RTOS内核的特性
3．2．1 时钟和定时器
3．2．2 优先级调度
3．2．3 任务间通信和资源共享
3．2．4 异步I/O
3．2．5 内存锁定
3．3 RTOS示例
3．3．1 LynxOS
3．3．2 OSE
3．3．3 QNX
3．3．4 VxWorks
3．3．5 Windows Embedded Compact
习题
阅读建议
参考文献
URL

第4章 任务调度
4．1 任务
4．1．1 任务说明
4．1．2 任务状态
4．1．3 优先约束
4．1．4 任务分配与调度
4．2 时钟驱动调度
4．2．1 结构化时钟驱动调度
4．2．2 调度非周期任务
4．2．3 调度偶发任务
4．3 轮询方法
4．4 基于优先级的调度算法
4．4．1 固定优先级算法
4．4．2 动态优先级算法
4．4．3 非周期和偶发任务的基于优先级调度
4．4．4 实际因素
4．5 任务分配
4．5．1 装箱算法
4．5．2 考虑通信成本的分配
习题
阅读建议
参考文献

第5章 资源共享与访问控制
5．1 资源共享
5．1．1 资源操作
5．1．2 资源请求描述
5．1．3 优先级反转和死锁
5．1．4 资源访问控制
5．2 非抢占的临界区协议
5．3 优先级继承协议
5．3．1 优先级继承协议的规则
5．3．2 优先级继承协议的特性
5．4 优先级上限协议
5．4．1 优先级上限协议的规则
5．4．2 优先级上限协议的特性
5．4．3 坏情况的阻塞时间
5．5 堆栈共享优先级上限协议
5．5．1 堆栈共享优先级上限协议的规则
5．5．2 堆栈共享优先级上限协议的特性
习题
阅读建议
参考文献

第6章 并发编程
6．1 简介
6．2 POSIX线程
6．3 同步机制
6．3．1 竞争条件和临界区
6．3．2 互斥
6．3．3 条件变量
6．3．4 信号量
6．4 任务间通信
6．4．1 消息队列
6．4．2 共享内存
6．4．3 共享内存保护
6．5 实时设施
6．5．1 实时信号
6．5．2 定时器
6．5．3 周期任务的实现
6．5．4 多周期任务的实现
习题
阅读建议
参考文献

第7章 有限状态机
7．1 有限状态机基础
7．2 确定性有限自动机
7．2．1 Moore机
7．2．2 Mealy机
7．3 非确定性有限自动机
7．4 有限状态机的编程
习题
阅读建议
参考文献

第8章 UML状态机
8．1 状态
8．2 转移
8．3 事件
8．4 复合状态
8．4．1 层次结构
8．4．2 正交性
8．4．3 子状态机状态
8．5 伪状态
8．5．1 历史伪状态
8．5．2 进入点和退出点
8．5．3 分叉和汇入伪状态
8．5．4 终止伪状态
8．6 ABS的UML状态机
习题
阅读建议
参考文献

第9章 时间Petri网
9．1 Petri网定义
9．1．1 变迁激发
9．1．2 建模能力
9．2 Petri网属性
9．2．1 行为属性
9．2．2 结构属性
9．3 时间Petri网
9．3．1 确定性时间Petri网
9．3．2 时间Petri网
习题
阅读建议
参考文献

第10章 模型检查
10．1 模型检查简介
10．2 时序逻辑
10．2．1 线性时序逻辑
10．2．2 计算树逻辑
10．2．3 LTL与CTL的比较
10．3 模型检查工具NuSMV
10．3．1 描述语言
10．3．2 格式
10．3．3 运行NuSMV
10．4 实时计算树逻辑
习题
阅读建议
参考文献

第11章 实际问题
11．1 软件可靠性
11．1．1 软件
11．1．2 可靠性测量
11．1．3 提高软件的可靠性
11．2 软件老化和重启
11．3 信息安全性
11．3．1 挑战
11．3．2 常见漏洞
11．3．3 信息安全软件设计
11．4 安全性
11．5 节电
阅读建议
参考文献

　　近年来，随着微电子技术和通信技术的飞速发展，基于微处理器的嵌入式系统应用范围迅速扩大。嵌入式系统藏身于各种设备和装置中，小到电子手表、电子体温计、复读机、智能手机，大到空调、电冰箱、电视机，甚至马路上红绿灯的控制器、飞行器中的飞控系统、自动导航设备、汽车中的燃油控制、汽车雷达、ABS等。若按实时性要求对嵌入式系统进行分类，大多数嵌入式系统均属于实时系统，因而称之为实时嵌入式系统。这类系统不仅需要对外部环境的变化、用户输入做出准确的响应，而且对反应的时间具有严格的要求。开发实时嵌入式系统，要求开发者具备低层的硬件、交叉编译技术、交叉调试技术、实时操作系统原理、多任务及多线程、调度及资源共享等多种知识。特别是实时嵌入式系统的软件开发技术与通用计算机系统的软件开发技术存在较大的差异，它不仅需要软件工程方面的知识和经验，还需要硬件知识以及与实时嵌入式系统相连接的被控对象／环境的先验知识，这使得许多具有良好软件开发经验的人在实时嵌入式系统开发方面也感到困难。而随着实时嵌入式系统的应用领域和市场规模不断扩大，对实时嵌入式系统开发人员的需求在不断增加，我国目前这方面的专业人才并不能满足当前社会的需求。
　　本书从实时嵌入式系统的基本概念出发，系统地介绍了实时嵌入式系统的基本组成、硬件组件、基础知识、任务及任务调度、资源共享与访问控制、并发编程、实时系统建模与模型检查，最后总结了实时嵌入式系统实践中的若干问题，基本上涵盖了开发实时嵌入式系统软件所需要的各方面知识。因此，本书不仅可以作为计算机工程、软件工程、嵌入式系统、物联网工程等专业本科生和研究生嵌入式系统课程的教材，也适合从事实时与嵌入式系统软件研发相关工作的工程师和从业者阅读。
　　市售嵌入式系统技术方面的教材，大多数从嵌入式系统的基本概念出发，以某款嵌入式微处理器为基础，介绍嵌入式微处理器的接口技术，再兼顾嵌入式系统软件设计、嵌入式操作系统等知识，而甚少谈及嵌入式系统在实时性方面的要求、设计技术。另外，市售嵌入式系统教材多以实践为主，对系统建模及模型验证等理论少有涉猎。实际上，目前嵌入式系统设计的主流方法——软硬件协同设计，不同于传统设计方法之处在于，系统设计初期需要对系统行为和特性进行准确而详细的建模和评估，否则会对后续的设计工作有致命的影响。本书中对UML（统一建模语言）、有限状态机以及Petri网建模技术的介绍正弥补了这方面的缺陷。
　　本书的作者王加存教授先后在南京理工大学、美国北电网络公司和美国蒙莫斯大学任职，长期从事软件设计和研究工作，具有丰富的实时嵌入式系统软件设计经验。为帮助读者尽快掌握实际系统软件开发的技巧，本书第11章从作者自身研究和实践所得出发，分析、总结了实时嵌入式系统软件开发中常见的实际问题，并给出了可行的解决方案，这也是市售教材中缺失的部分，对于读者而言是弥足珍贵的。
　　受限于时间和本人的水平，翻译中难免存在一些不尽如人意之处，还请读者不吝批评指正。考虑到一些英文的专业术语在中文中还没有统一和规范，因此译文中对这些术语尽量保留了英文名，对于缩写也进行了必要的注释，便于读者参阅。
　　最后感谢作者和出版社的信任，翻译此书是一个愉快的学习过程，拓宽了本人的知识面，也加深了本人对实时嵌入式系统软件设计的理解。