实时嵌入式系统设计方法

实时嵌入式系统或信息物理系统(CPS)具有反应式、安全关键、时序关键和分布式等重要特征，强调信息系统与物理系统的交互，其设计方法涉及控制、计算机、通信、电子等学科的融合。设计者不仅需要掌握微控制器编程技术，更需要理解和掌握实时计算理论以及完整的工程化建模、设计和分析方法，才能可预测地完成系统设计，满足严苛的设计约束。实时嵌入式系统设计理论和方法是我国制造业发展升级的核心技术，未来，嵌入式智能系统的应用将日益普及，迫切需要大量高层次专业人才投身于这一领域，但目前国内高校的相关教育比较薄弱，创新性人才培养能力相对不足。
国内外常见的培训资料或教科书往往单一地讨论基于特定嵌入式硬件平台(如ARM)或特定嵌入式操作系统(如μC/OS、FreeRTOS、Android等)的嵌入式程序编程技术，或讨论嵌入式软件工程（包括形式化方法），但都没有提供系统设计方法学的整体视图，相关知识过于分散。近年来，国外的一些嵌入式系统教科书引入了信息物理系统，包含控制工程和计算机工程的理论和方法，但对控制理论和模型的论述过多，计算机专业的学生不容易理解。
结合作者多年的教学和科研实践，通过对该领域重要课题的梳理，本书从计算机科学与技术视角出发，从实时计算和设计自动化两方面讨论实时嵌入式系统的设计问题。书中一方面讨论实时调度、资源管理和实时操作系统等实时计算理论和应用； 另一方面以构件化设计和模型化设计等工程化设计范式为基础，以自顶向下的“建模设计分析”为关键技术路线，以反应式时序行为保证为核心，深入讨论实时嵌入式系统的量化和形式化设计与分析技术。
理论、抽象和设计是一般科学技术方法论的核心内容。理论源于数学，抽象源于现实，设计源于工程。系统科学和工程方法用系统的观点认识和处理问题，是一般科学技术方法论中的重要内容，结构化、层次化和模型化是其基本思想。以此为基础，实时嵌入式系统设计的论题非常广泛，难以在一门课程中涵盖。本书内容的选取围绕“自顶向下”的系统设计方法展开，涵盖建模、验证、设计、实现和分析，期望纲要式地勾画出完整视图，而不过多涉及具体系统或平台的细节。书中对动态系统、混成系统、容错系统、复杂数字系统(SoC)，以及嵌入式软件工程、概率模型检验、信息安全、能耗优化等内容没有详细讨论。感兴趣的读者可以进一步参考Giorgio Buttazzo教授的Hard RealTime Computing Systems: Predictable Scheduling Algorithms and Applications，Phillip A.Laplante教授的RealTime Systems Design and Analysis: Tools for The Practitioner，Hermann Kopetz教授的RealTime Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications和Rajeev Alur教授的Principles of CyberPhysical Systems等国外经典教科书。基于以上作者各自的专业方向，这些书籍分别讨论了实时调度理论、实时软件工程、分布式实时系统和形式化模型分析与验证等问题。
李曦、陈香兰、王超和周学海四位老师共同参与了全书内容的组稿、统稿和修改工作。本书素材基于作者十余年相关研究生课程教学和科研工作的积累，其中参考了大量国内外相关教材、课件和学术论文，某些信息来源甚至难以查找。在此对所引用文献的作者表示衷心感谢，对遗漏的信息源作者表示歉意。
本书的编写工作得到软件工程教指委专业规划教材批建设立项，并得到国家自然科学基金“安全关键信息物理系统的时序可预测性问题研究(6177050133)”项目的支持。同时，清华大学出版社黄芝编辑为本书出版做了大量工作，在此一并表示诚挚感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者批评指正。
作者2021年10月

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

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。