嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践

图书标准信息

• 作者 [美]Xiaocong Fan 著；林赐 译
• 出版社 清华大学出版社
• 出版时间 2016-12
• 版次 1
• ISBN 9787302455592
• 定价 79.80元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 530页
• 字数 834千字
• 正文语种 简体中文
• 原版书名 Real-Time Embedded Systems:Design Principles and Engineering Practices
• 丛书 嵌入式系统经典丛书

【内容简介】

　　《嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践》融入了实时系统、嵌入式系统和软件工程的新概念和新主题，为开发实时嵌入式应用软件描绘了一幅完整的图像。在本书中，你不仅可以全面地理解与微处理器、中断和系统引导过程相关的概念，领略到实时建模和调度的重要性，而且也将学习建模文档、建模分析、设计模式和标准的一致性等软件工程实践。

　　本书分为四个部分，帮助你学习嵌入式系统的关键概念；第Ⅰ部分介绍了开发过程，包括微处理器和中断章节——这是软件工程师的基本主题；第Ⅱ部分专门介绍了实时系统的建模技术；第Ⅲ部分讨论了软件体系架构的设计；第Ⅳ部分检验了软件的实现，并重点关注POSIX兼容的操作系统。

　　主要特色

　　◆ 涵盖了*新的UML标准(UML 2.4)

　　◆ 超过20种具有代表性，可以在一个非常广泛的实时嵌入式系统系列中重用的*佳的设计模式实践

　　◆ 在QNX中通过测试的示例代码，QNX是在行业中广泛采用的实时操作系统。

　　主要内容

　　◆ 不同嵌入式系统架构的利弊

　　◆ POSIX实时扩展以及如何开发POSIX兼容的实时应用程序

　　◆ 如何使用实时UML记录具有时序约束的系统设计

　　◆ 与跨平台开发相关的概念以及所面临的挑战

　　◆ 多任务设计和任务间通信技术(共享内存对象、消息队列、管道、信号)

　　◆ 如何使用内核对象(如信号量、互斥体、条件变量)来解决RTOS应用程序资源共享的问题

　　◆ 支持“资源管理器”这个概念的原理，以及如何使用资源管理器实现虚拟文件系统

　　◆ 实时调度和几个关键算法的基本原则

【作者简介】

      Xiaocong Fan是宾夕法尼亚州立大学计算机和软件工程学院的副教授。他的研究领域包括软件工程中的多智能体系统和形式化方法，以及先进的决策支持系统。他是一些智能代理系统(如RCAST和SMMall)的主要设计师。Fan博士是IEEE的高级会员。

【目录】

第Ⅰ部分  引    言

第1章  嵌入式系统和实时系统导论1

1.1  嵌入式系统 3

1.2  实时系统 4

1.2.1 软实时系统 4

1.2.2 硬实时系统 5

1.2.3 实时系统的范围 6

1.3  案例分析：雷达系统 7

1.4  习题 10

第2章  跨平台开发 11

2.1　跨平台开发流程 11

2.2  硬件架构 12

2.3　软件开发 13

2.3.1　软件设计 13

2.3.2　系统编程语言C/C   13

2.3.3 测试硬件无关模块 18

2.4  生成目标映像 18

2.4.1 交叉开发工具链 18

2.4.2 可执行和链接格式 21

2.4.3 内存映射 26

2.4.4 案例研究：制作QNX映像 28

2.5  转移可执行文件对象到

目标平台 29

2.6  在目标系统上的集成测试30

2.7  系统生产 30

2.8  习题 31

第3章  微处理器入门 33

3.1  微处理器简介 33

3.1.1 常用的微处理器 33

3.1.2 微处理器特性 35

3.2 PIC18F8720微型芯片 38

3.2.1 存储器组织 39

3.2.2 字写模式 41

3.2.3 字节选择模式 43

3.2.4 字节写模式 45

3.3 Intel 8086 46

3.3.1 存储器组织 47

3.3.2 独立的I/O地址空间 48

3.3.3 存储器地址空间 50

3.3.4 等待状态 52

3.4 Intel Pentium 53

3.4.1 总线状态转换 56

3.4.2 存储器组织 60

3.5 ARM926EJ-S 61

3.6  习题 64

第4章  中断 67

4.1  中断导论 67

4.2  外部中断 67

4.2.1 非向量中断 68

4.2.2 PIC和向量中断 69

4.3  软件中断 74

4.4  内部中断 75

4.5 ISR的设计模式 75

4.5.1 一般的ISR设计模式 75

4.5.2 具有服务器任务的ISR 76

4.5.3 ISR链 77

4.5.4 ISR级联 78

4.5.5 与ISR进行数据共享 79

4.6  中断响应时间 81

4.7  案例分析：x86 82

4.7.1 硬件中断 84

4.7.2 综合汇总 85

4.8  案例研究：ARM处理器 86

4.8.1 硬件中断 87

4.8.2 综合汇总 90

4.9  习题 91

第5章  嵌入式系统的引导过程 93

5.1  系统引导加载程序 93

5.2  系统的引导过程 94

5.2.1 加载嵌入式软件 94

5.2.2 准备执行嵌入式软件 95

5.3  案例研究：AT91SAM9G45

引导过程 96

5.4  加载嵌入在操作系统映像中的

ELF目标文件 96

5.5  案例研究：基于QNX嵌入式

系统的引导过程 97

5.6 习题 99

第Ⅱ部分  实时系统建模

第6章  UML结构建模基础 103

6.1  统一建模语言 103

6.2  类图和类建模 104

6.2.1 类 106

6.2.2 实例层次的关系 109

6.2.3 依赖关系 121

6.2.4 泛化关系 125

6.3  类建模原则 128

6.3.1 模型演化 128

6.3.2 子类化 130

6.3.3 最小信息冗余 131

6.3.4 重构 134

6.4  对象图 137

6.5  包图 138

6.5.1 包引入 138

6.5.2 包合并 139

6.6  习题 141

第7章  UML体系架构建模 143

7.1  体系架构的抽象层次 143

7.2 UML结构图 144

7.3  建模组件 148

7.4  子系统建模 150

7.5  完整系统建模 153

7.6  部署图 154

7.7  习题 155

第8章  UML行为建模的基础 157

8.1  用例图和用例建模 157

8.1.1 用例图 157

8.1.2 用例描述 160

8.1.3 用例层次 161

8.2  序列图 162

8.3  活动图 167

8.4  习题 171

第9章  UML中有状态行为的建模 173

9.1  状态机图的基础 173

9.1.1 状态 173

9.1.2 转移和事件 174

9.1.3 伪状态 175

9.1.4 用状态机对网络协议建模 176

9.2  复合状态 178

9.2.1 进入点、退出点与历史 179

9.2.2 并发 180

9.3  状态行为的继承 181

9.4  有状态对象时序图 183

9.5  举例：雷达系统有状态行为

的建模 184

9.5.1 收发机建模 185

9.5.2 链路驱动器的建模 186

9.5.3 指挥消息器的建模 188

9.6  习题 189

第10章  实时UML：通用资源

建模 191

10.1 实时UML配置文件 191

10.2 资源建模 194

10.2.1 UML核心资源模型 195

10.2.2 动作和动作执行 196

10.2.3 受保护资源的UML构

造型 197

10.2.4 资源使用 199

10.2.5 资源-客户图 200

10.3 时间建模 201

10.3.1 时间观念 201

10.3.2 定时装置 202

10.3.3 时间建模构造型 204

10.4 并发建模 206

10.5 习题 209

第11章  实时UML：模型分析 211

11.1 时序约束的启发 211

11.2 RT-UML配置文件可调度性

建模子配置文件 214

11.2.1 RT-UML配置文件中的可

调度性分析的元概念 214

11.2.2 可调度性构造型 219

11.2.3 使用可调度性子配置

文件 221

11.3 RT-UML配置文件性能建模

子配置文件 223

11.3.1 RT-UML配置文件中的性

能分析的元概念 223

11.3.2 性能构造型 225

11.3.3 使用性能子配置文件 227

11.4 习题 231

第Ⅲ部分  实时系统设计

第12章  实时嵌入式系统软件

架构 237

12.1 实时任务 237

12.1.1 最坏情况下的任务执行

时间 238

12.1.2 任务规范 239

12.1.3 任务时序图 239

12.1.4 最坏情况下的响应时间 241

12.1.5 任务实现 242

12.2 轮询架构 242

12.2.1 案例研究：体温计 242

12.2.2 通用轮询架构 250

12.2.3 最坏情况下的事件响应

时间 253

12.3 带有中断的轮询 254

12.3.1 案例研究：西蒙游戏 254

12.3.2 通用架构 257

12.3.3 最坏情况下的事件响应

时间 259

12.4 基于队列的架构 260

12.4.1 非抢占式FIFO队列 261

12.4.2 非抢占式优先队列 262

12.5 习题 264

第13章  POSIX和RTOS 267

13.1 POSIX简介 267

13.1.1 POSIX进程和线程 268

13.1.2 POSIX实时扩展 269

13.1.3 POSIX的兼容性和一

致性 275

13.2 任务的静态结构和动态

行为 276

13.2.1 一般任务结构 276

13.2.2 任务状态转移 278

13.3 实时操作系统 279

13.4 POSIX实时调度策略 282

13.4.1 FIFO调度策略 282

13.4.2 轮询调度策略 283

13.4.3 偶发服务器调度策略 284

13.5 其他实时调度策略 286

13.5.1 最小松弛度优先 286

13.5.2 最早截止期限优先 287

13.5.3 截止期限单调分配的

调度 288

13.5.4 速率单调分配的调度 288

13.6 习题 289

第14章  多任务 291

14.1 多任务简介 291

14.2 多任务设计 292

14.2.1 任务标识 292

14.2.2 任务转换 295

14.2.3 任务参数估计 299

14.3 多任务资源共享 301

14.3.1 资源死锁 301

14.3.2 优先级反转 302

14.4 解决资源死锁 304

14.4.1 死锁预防 304

14.4.2 死锁检测 304

14.4.3 死锁避免 305

14.5 解决优先级反转 307

14.5.1 优先级继承协议 307

14.5.2 最高锁协议 309

14.5.3 优先级天花板协议 310

14.6 习题 312

第15章  实时调度：时钟驱动

方式 315

15.1 周期性调度简介 315

15.1.1 若干假设 315

15.1.2 可抢占的非周期作业 316

15.2 点对点时钟驱动调度 317

15.2.1 点对点时钟驱动调度

程序 318

15.2.2 执行开销 319

15.3 基于帧的调度 320

15.3.1 帧尺寸的约束 320

15.3.2 健壮的基于帧的调度 323

15.3.3 基于帧的调度程序 324

15.4 调度非周期作业 325

15.5 拆分任务 328

15.6 习题 330

第16章  实时调度：速率单调

方式 331

16.1 优先级分配 331

16.2 RMA原则 332

16.3 速率单调分析 335

16.4 完成时间测试 336

16.5 周期变换 339

16.6 通用的可调度性分析 342

16.6.1 具有阻塞时间项的任务 342

16.6.2 具有更早截止时间的

任务 346

16.6.3 示例 347

16.6.4 优先级相同的任务 350

16.7 习题 351

第17章  实时调度：偶发服务器

程序 355

17.1 偶发任务355

17.2 偶发服务器程序 356

17.2.1 偶发服务器程序的相关

任务设计 356

17.2.2 验收测试 358

17.3 朴素偶发服务器程序 360

17.3.1 任务设计 361

17.3.2 验收测试 361

17.4 固定优先级的偶发服务器

程序 362

17.5 具有动态优先级的偶发

服务器程序 368

17.6 习题 371

第IV部分  实现模式

第18章  资源共享 375

18.1 共享变量 375

18.2 共享的内存 378

18.2.1 映射文件对象 380

18.2.2 共享的内存对象 382

18.3 信号量 384

18.3.1 任务同步 385

18.3.2 流控制 387

18.3.3 资源保护 387

18.3.4 信号量相关的POSIX

函数 389

18.3.5 信号量示例 390

18.4 互斥体 397

18.4.1 互斥体使用模式 398

18.4.2 互斥体相关的POSIX

函数 400

18.4.3 使用互斥体的例子 401

18.5 条件变量 404

18.5.1 栅栏同步 405

18.5.2 生产者-消费者模式 410

18.5.3 读-写锁 414

18.6 习题 418

第19章  任务间通信：消息队列421

19.1 消息队列简介 421

19.2 消息队列静态结构和动态

转移 421

19.3 消息队列使用模式 424

19.3.1 单向通信 424

19.3.2 确认-单向通信 425

19.3.3 双向通信 426

19.3.4 客户端-服务器之间的

通信 427

19.4 与消息队列相关的POSIX

函数 430

19.5 使用消息队列的例子 432

19.6 习题 437

第20章  任务间通信：管道 439

20.1 管道简介 439

20.2 管道的静态结构和动态

状态转移 439

20.3 管道使用模式 442

20.4 与管道相关的POSIX函数 442

20.4.1 多个作者和读者 444

20.4.2 在管道上POSIX的选择

操作 445

20.5 使用管道的示例 446

20.6 习题 451

第21章  任务间通信：发送信号453

21.1 POSIX信号简介 453

21.2 信号处理 455

21.3 信号向量表和处理程序 455

21.4 POSIX信号函数 456

21.5 POSIX信号的QNX实现 457

21.5.1 示例：在不同进程中处理

信号 457

21.5.2 示例：控制任务服务器 460

21.6 来自ISR的自旋锁和中断

事件 463

21.6.1 POSIX自旋锁 463

21.6.2 QNX事件结构 464

21.6.3 QNX应用程序的中断

处理 465

21.6.4 示例：来自ISR的中断

事件 466

21.7 QNX脉冲 473

21.7.1 QNX同步消息传递 473

21.7.2 QNX异步脉冲发生机制 476

21.7.3 分层消息传递模式 478

21.7.4 消息接收者的优先级

继承 478

21.7.5 示例：简单的计时管

理器 479

21.8 习题 488

第22章  软件计时器管理 489

22.1 硬件计时器和软件计时器 489

22.2 软件计时管理器 491

22.2.1 链接到专用计时器ISR 492

22.2.2 使用OS计时器 492

22.3 计时轮 493

22.3.1 精度误差 495

22.3.2 宽范围计时器 497

22.4 分层计时轮 497

22.4.1 计时轮参考上下文和计时

器管理 498

22.4.2 实现 500

22.5 习题 502

第23章  QNX资源管理 505

23.1 QNX资源管理简介 505

23.2 资源管理器体系架构 506

23.2.1 控制结构 507

23.2.2 关键数据结构 508

23.3 示例1：作为资源管理器的

计算器 508

23.3.1 上层结构 509

23.3.2 处理来自客户端的消息 510

23.3.3 注册到进程管理器 517

23.3.4 使用资源管理器 518

23.4 示例2：设备驱动程序 520

23.4.1 操纵杆 520

23.4.2 LED指示灯 521

23.4.3 基于轮询的输入事件

检测 523

23.5 习题 526

参考文献 527

缩略语 531