实时嵌入式系统设计方法

作者: 李曦 , 陈香兰 , 王超 , 周学海

出版社: 清华大学出版社

出版时间: 2022-01

版次: 1

ISBN: 9787302590323

定价: 59.80

装帧: 其他

开本: 16开

纸张: 胶版纸

分类: 教材教辅考试>教材>大学教材>工程技术

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汽车电子、航空航天和医疗设备等安全关键应用系统以高度集成的实时嵌入式(RTE)系统为构造基础。为了满足此类应用的功能复杂性、时序可预测性和高可靠性等方面的严格要求，需要完整统一的系统设计、实现、验证和分析方法。实时嵌入式系统设计的论题非常广泛，其核心科学基础和方法涉及控制、计算机、软件和电子等多个工程领域。本书从实时计算和设计自动化两方面讨论此类系统的系统级设计方法，主要涉及硬件架构、实时操作系统、实时任务调度与共享资源访问控制、多处理器与分布式实时系统、实时嵌入式软件设计(程序结构、编程模型、实时编程语言)、形式化方法(设计、建模、验证)、建模语言与设计框架，以及常用的辅助设计工具等内容，涵盖应用软件、运行时环境和硬件系统结构等多个系统层次。书中纲要式地勾画出基于构件化设计(CBD)和基于模型化设计(MBD)范式的系统设计方法的完整视图和工程化开发过程的关键阶段，并展现了学术界的**研究成果和工业界的应用现状。本书面向计算机专业研究生或高年级本科生，需要读者具备计算机工程、软件工程、控制工程、电子工程等相关领域的基础知识。李曦，博士，中国科学技术大学教授级高级工程师，博导。长期主讲本科生“计算机组成原理”和研究生“嵌入式系统设计方法”等课程。负责或参与国家自然基金、国家重点研发计划等纵横向科研项目30余项，承担省部级教学研究课题多项。发表ACM/IEEE Transactions等高水平学术论文100余篇，持有相关技术专利多项。当前主要研究方向为高性能时间可预测体系结构。第1章绪论

1.1实时嵌入式系统及其特征

1.1.1反应式系统

1.1.2实时系统

1.1.3安全关键系统

1.1.4混合关键系统

1.1.5分布式实时系统

1.2嵌入式系统设计过程与方法

1.2.1MBD方法

1.2.2CBD方法

1.2.3PBD方法

1.2.4IBD方法

1.2.5形式化方法

1.3计算模型、编程语言与软件实现

1.4实时嵌入式系统设计方法存在的关键问题

1.5本书的组织结构

思考题

第2章实时嵌入式系统硬件架构

2.1微处理器/微控制器

2.1.1CortexM3体系结构

2.1.2XMOS处理器

2.1.3嵌入式处理器IP

2.1.4英飞凌AURIX微控制器

2.2存储器

2.2.1SPM

2.2.2TCM

2.3定时与脉宽调制

2.3.1计数器与定时器

2.3.2脉宽调制器

2.4系统总线

2.4.1PCI总线

2.4.2PCIe总线

2.4.3AMBA总线

2.4.4MicroBlaze系统总线

2.5本章小结

思考题

第3章实时操作系统

3.1反应式内核

3.2系统服务

3.2.1任务管理

3.2.2任务互斥、同步、通信

3.2.3内存管理

3.2.4时间管理

3.2.5I/O管理

3.2.6异常与中断管理

3.3RTOS主要性能指标和测试套

3.4典型的RTOS

3.4.1μC/OSⅡ

3.4.2FreeRTOS

3.4.3RTEMS

3.5RTOS标准

3.5.1POSIXRT标准

3.5.2OSEK/VDX标准

3.5.3AUTOSAR OS标准

3.5.4ARINC 653标准

3.6本章小结

思考题

第4章实时任务调度

4.1任务与作业

4.2任务约束

4.2.1事件时序约束模型

4.2.2任务时序约束模型

4.3任务调度

4.3.1任务调度器属性

4.3.2调度算法分类

4.3.3处理器利用率

4.4调度算法

4.4.1时钟驱动调度

4.4.2动态任务调度

4.4.3混合任务集调度

4.4.4优先约束任务调度

4.4.5模式切换

4.4.6基于释放时间的调度

4.4.7有限抢占调度

4.4.8过载处理

4.5可调度性测试与分析

4.5.1EDD保证性测试

4.5.2EDF可调度性测试

4.5.3RM可调度性测试

4.5.4DM算法可调度性

4.5.5响应时间分析

4.6WCET估算

4.6.1影响程序执行时间的因素

4.6.2静态WCET分析

4.7本章小结

思考题

第5章共享资源访问控制

5.1互斥

5.2死锁

5.2.1检测算法

5.2.2恢复算法

5.2.3死锁避免

5.2.4死锁预防

5.2.5替代同步方法

5.3优先级反转

5.3.1非抢占协议

5.3.2优先级继承协议

5.3.3天花板优先级协议

5.3.4优先级天花板协议

5.3.5栈资源策略

5.3.6同步协议比较

5.4本章小结

思考题

第6章多处理器与分布式实时系统

6.1多处理器任务调度

6.1.1分区任务调度

6.1.2全局任务调度

6.1.3调度异常

6.2多处理器资源同步

6.2.1存储模型

6.2.2锁与互斥访存

6.2.3多处理器互斥

6.3分布式资源同步

6.3.1分布式互斥

6.3.2分布式死锁

6.4时钟同步

6.4.1集中式时钟同步

6.4.2分布式时钟同步

6.5分布式实时系统整体调度

6.5.1端到端资源、任务与消息

6.5.2任务同步控制机制

6.5.3释放抖动

6.5.4整体可调度性分析算法

6.6现场总线

6.6.1CAN总线

6.6.2CANopen总线

6.7通信网络

6.7.1基本模型

6.7.2AFDX协议

6.7.3FlexRay协议

6.7.4TTP

6.7.5时间触发体系结构

6.7.6时间触发以太网

6.7.7无线传感器网络

6.8本章小结

思考题

第7章实时嵌入式软件设计

7.1任务定义与划分

7.1.1DARTS方法

7.1.2COMET方法

7.1.3任务时间预算

7.2嵌入式程序结构

7.2.1多任务协作

7.2.2主循环结构

7.3时序约束与编程模型

7.3.1时序约束与时钟

7.3.2实时语言的时间语义

7.3.3实时编程模型

7.3.4程序语句级时序控制

7.4实时编程语言

7.4.1异步范式

7.4.2同步范式

7.5本章小结

思考题

第8章形式化方法

8.1系统级设计方法

8.1.1离散事件系统

8.1.2事件动作模型

8.1.3时间约束满足问题

8.1.4抽象建模

8.1.5形式验证

8.2离散行为建模与验证

8.2.1状态机模型

8.2.2数据流模型

8.2.3时态逻辑

8.2.4实时逻辑

8.2.5模型检测验证示例

8.2.6混成系统建模与验证

8.3构件组合模型

8.3.1IOA与TIOA

8.3.2IA和TIA

8.3.3语义扩展

8.3.4模块化性能分析

8.4精化与EventB方法

8.5本章小结

思考题

第9章体系结构建模语言与设计框架

9.1体系结构建模方法

9.2时间行为建模方法

9.2.1时间行为描述

9.2.2时间行为精化

9.3MARTE

9.3.1MARTE时间模型

9.3.2时间行为建模

9.3.3资源建模与模型分析

9.4CCSL

9.4.1时钟约束

9.4.2时间约束分析

9.5AADL

9.5.1系统体系结构

9.5.2软件和硬件构件定义

9.5.3特征分析

9.6BIP

9.6.1系统行为建模

9.6.2待验证属性的建模

9.6.3BIP工具集

9.7Ptolemy Ⅱ

9.8AUTOSAR

9.8.1AUTOSAR分层体系结构

9.8.2AUTOSAR软件架构接口

9.8.3AUTOSAR开发流程

9.8.4AUTOSAR需求工程EASTADL2

9.8.5AUTOSAR时间扩展TIMEX

9.9本章小结

思考题

第10章RTES示例与辅助设计工具

10.1嵌入式控制系统

10.1.1控制器设计步骤

10.1.2PID控制器设计

10.2引擎管理系统

10.2.1汽车发动机工作原理

10.2.2基于AUTOSAR的EMS

10.2.3测试套EMSBench

10.3辅助设计工具

10.3.1代码执行时间分析

10.3.2可调度性分析与仿真

10.3.3系统建模、设计与分析

10.4本章小结

参考文献
内容简介:
汽车电子、航空航天和医疗设备等安全关键应用系统以高度集成的实时嵌入式(RTE)系统为构造基础。为了满足此类应用的功能复杂性、时序可预测性和高可靠性等方面的严格要求，需要完整统一的系统设计、实现、验证和分析方法。实时嵌入式系统设计的论题非常广泛，其核心科学基础和方法涉及控制、计算机、软件和电子等多个工程领域。本书从实时计算和设计自动化两方面讨论此类系统的系统级设计方法，主要涉及硬件架构、实时操作系统、实时任务调度与共享资源访问控制、多处理器与分布式实时系统、实时嵌入式软件设计(程序结构、编程模型、实时编程语言)、形式化方法(设计、建模、验证)、建模语言与设计框架，以及常用的辅助设计工具等内容，涵盖应用软件、运行时环境和硬件系统结构等多个系统层次。书中纲要式地勾画出基于构件化设计(CBD)和基于模型化设计(MBD)范式的系统设计方法的完整视图和工程化开发过程的关键阶段，并展现了学术界的**研究成果和工业界的应用现状。本书面向计算机专业研究生或高年级本科生，需要读者具备计算机工程、软件工程、控制工程、电子工程等相关领域的基础知识。
作者简介:
李曦，博士，中国科学技术大学教授级高级工程师，博导。长期主讲本科生“计算机组成原理”和研究生“嵌入式系统设计方法”等课程。负责或参与国家自然基金、国家重点研发计划等纵横向科研项目30余项，承担省部级教学研究课题多项。发表ACM/IEEE Transactions等高水平学术论文100余篇，持有相关技术专利多项。当前主要研究方向为高性能时间可预测体系结构。
目录:
第1章绪论

1.1实时嵌入式系统及其特征

1.1.1反应式系统

1.1.2实时系统

1.1.3安全关键系统

1.1.4混合关键系统

1.1.5分布式实时系统

1.2嵌入式系统设计过程与方法

1.2.1MBD方法

1.2.2CBD方法

1.2.3PBD方法

1.2.4IBD方法

1.2.5形式化方法

1.3计算模型、编程语言与软件实现

1.4实时嵌入式系统设计方法存在的关键问题

1.5本书的组织结构

思考题

第2章实时嵌入式系统硬件架构

2.1微处理器/微控制器

2.1.1CortexM3体系结构

2.1.2XMOS处理器

2.1.3嵌入式处理器IP

2.1.4英飞凌AURIX微控制器

2.2存储器

2.2.1SPM

2.2.2TCM

2.3定时与脉宽调制

2.3.1计数器与定时器

2.3.2脉宽调制器

2.4系统总线

2.4.1PCI总线

2.4.2PCIe总线

2.4.3AMBA总线

2.4.4MicroBlaze系统总线

2.5本章小结

思考题

第3章实时操作系统

3.1反应式内核

3.2系统服务

3.2.1任务管理

3.2.2任务互斥、同步、通信

3.2.3内存管理

3.2.4时间管理

3.2.5I/O管理

3.2.6异常与中断管理

3.3RTOS主要性能指标和测试套

3.4典型的RTOS

3.4.1μC/OSⅡ

3.4.2FreeRTOS

3.4.3RTEMS

3.5RTOS标准

3.5.1POSIXRT标准

3.5.2OSEK/VDX标准

3.5.3AUTOSAR OS标准

3.5.4ARINC 653标准

3.6本章小结

思考题

第4章实时任务调度

4.1任务与作业

4.2任务约束

4.2.1事件时序约束模型

4.2.2任务时序约束模型

4.3任务调度

4.3.1任务调度器属性

4.3.2调度算法分类

4.3.3处理器利用率

4.4调度算法

4.4.1时钟驱动调度

4.4.2动态任务调度

4.4.3混合任务集调度

4.4.4优先约束任务调度

4.4.5模式切换

4.4.6基于释放时间的调度

4.4.7有限抢占调度

4.4.8过载处理

4.5可调度性测试与分析

4.5.1EDD保证性测试

4.5.2EDF可调度性测试

4.5.3RM可调度性测试

4.5.4DM算法可调度性

4.5.5响应时间分析

4.6WCET估算

4.6.1影响程序执行时间的因素

4.6.2静态WCET分析

4.7本章小结

思考题

第5章共享资源访问控制

5.1互斥

5.2死锁

5.2.1检测算法

5.2.2恢复算法

5.2.3死锁避免

5.2.4死锁预防

5.2.5替代同步方法

5.3优先级反转

5.3.1非抢占协议

5.3.2优先级继承协议

5.3.3天花板优先级协议

5.3.4优先级天花板协议

5.3.5栈资源策略

5.3.6同步协议比较

5.4本章小结

思考题

第6章多处理器与分布式实时系统

6.1多处理器任务调度

6.1.1分区任务调度

6.1.2全局任务调度

6.1.3调度异常

6.2多处理器资源同步

6.2.1存储模型

6.2.2锁与互斥访存

6.2.3多处理器互斥

6.3分布式资源同步

6.3.1分布式互斥

6.3.2分布式死锁

6.4时钟同步

6.4.1集中式时钟同步

6.4.2分布式时钟同步

6.5分布式实时系统整体调度

6.5.1端到端资源、任务与消息

6.5.2任务同步控制机制

6.5.3释放抖动

6.5.4整体可调度性分析算法

6.6现场总线

6.6.1CAN总线

6.6.2CANopen总线

6.7通信网络

6.7.1基本模型

6.7.2AFDX协议

6.7.3FlexRay协议

6.7.4TTP

6.7.5时间触发体系结构

6.7.6时间触发以太网

6.7.7无线传感器网络

6.8本章小结

思考题

第7章实时嵌入式软件设计

7.1任务定义与划分

7.1.1DARTS方法

7.1.2COMET方法

7.1.3任务时间预算

7.2嵌入式程序结构

7.2.1多任务协作

7.2.2主循环结构

7.3时序约束与编程模型

7.3.1时序约束与时钟

7.3.2实时语言的时间语义

7.3.3实时编程模型

7.3.4程序语句级时序控制

7.4实时编程语言

7.4.1异步范式

7.4.2同步范式

7.5本章小结

思考题

第8章形式化方法

8.1系统级设计方法

8.1.1离散事件系统

8.1.2事件动作模型

8.1.3时间约束满足问题

8.1.4抽象建模

8.1.5形式验证

8.2离散行为建模与验证

8.2.1状态机模型

8.2.2数据流模型

8.2.3时态逻辑

8.2.4实时逻辑

8.2.5模型检测验证示例

8.2.6混成系统建模与验证

8.3构件组合模型

8.3.1IOA与TIOA

8.3.2IA和TIA

8.3.3语义扩展

8.3.4模块化性能分析

8.4精化与EventB方法

8.5本章小结

思考题

第9章体系结构建模语言与设计框架

9.1体系结构建模方法

9.2时间行为建模方法

9.2.1时间行为描述

9.2.2时间行为精化

9.3MARTE

9.3.1MARTE时间模型

9.3.2时间行为建模

9.3.3资源建模与模型分析

9.4CCSL

9.4.1时钟约束

9.4.2时间约束分析

9.5AADL

9.5.1系统体系结构

9.5.2软件和硬件构件定义

9.5.3特征分析

9.6BIP

9.6.1系统行为建模

9.6.2待验证属性的建模

9.6.3BIP工具集

9.7Ptolemy Ⅱ

9.8AUTOSAR

9.8.1AUTOSAR分层体系结构

9.8.2AUTOSAR软件架构接口

9.8.3AUTOSAR开发流程

9.8.4AUTOSAR需求工程EASTADL2

9.8.5AUTOSAR时间扩展TIMEX

9.9本章小结

思考题

第10章RTES示例与辅助设计工具

10.1嵌入式控制系统

10.1.1控制器设计步骤

10.1.2PID控制器设计

10.2引擎管理系统

10.2.1汽车发动机工作原理

10.2.2基于AUTOSAR的EMS

10.2.3测试套EMSBench

10.3辅助设计工具

10.3.1代码执行时间分析

10.3.2可调度性分析与仿真

10.3.3系统建模、设计与分析

10.4本章小结

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