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| 編輯推薦： |
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本书介绍开发实时嵌入式软件至关重要的三个方面。首先，开发实时嵌入式系统软件涉及许多活动，包括需求规格说明、时序分析、体系架构设计、多任务设计以及跨平台的测试和调试。本书涵盖嵌入式软件开发的全过程，对一些主题进行全面充分的解释，而对另外一些主题则一笔带过例如，调试和测试。
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| 內容簡介： |
本书融入了实时系统、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
◆ 涵盖了最新的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最佳的设计模式实践
◆ 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
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| 關於作者： |
|
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。
|
| 目錄：
|
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CC 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IO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
|
| 內容試閱：
|
嵌入式系统是在一个较大的系统中设计以执行专用功能的电子系统。实时系统为在临界事件的最坏情况下的响应时间提供了保证，同时为非临界事件提供了可接受的一般情况下的响应时间。当实时系统设计成为一个嵌入式组件时，这个组件就称为实时嵌入式系统，此系统广泛地应用在消费、工业、医疗和军事方面。随着我们的日常生活越来越依赖于嵌入式技术，近几年来，对具有开发实时嵌入式软件技能集的工程师的需求大幅增长。结果是，培养学生在嵌入式软件的设计和实现方面的能力变得日益重要。本书专门为高年级本科生或攻读软件工程、计算机工程或相关学科的研究生撰写，但也有益于专注嵌入式软件开发的在职工程师。本书采用了协同合作的方法，引进了实时系统、嵌入式系统和软件开发原则的概念和主题。读者不仅可以深入了解有关微处理器、中断和跨平台开发流程的概念，意识到实时建模和调度的重要性，并且可以得到良好的软件工程实践的训练，这些实践包括建模文档、建模分析、设计模式和系统标准的一致性。本书介绍开发实时嵌入式软件至关重要的三个方面。首先，开发实时嵌入式系统软件涉及许多活动，包括需求规格说明、时序分析、体系架构设计、多任务设计以及跨平台的测试和调试。本书涵盖嵌入式软件开发的全过程，对一些主题进行全面充分的解释，而对另外一些主题则一笔带过例如，调试和测试。具体来说，本书系统地介绍各种嵌入式软件架构，专注于实时操作系统，这是在大型实时操作系统中采用的最先进的架构。此外，我们选择性地强调可重复使用的设计解决方案。如表0.1所示，本书介绍许多设计模式，这些设计模式代表了在广泛的实时嵌入式系统中可重用的最佳实践。表0.1 设计模式总结类别 模 式 名 书 中 位 置
ISR ISR-Pattern-minISR-Pattern-server中断链中断级联中断禁用双缓冲兑现第一个请求 第4.5.1节第4.5.2节第4.5.3节中的图4.7第4.5.4节中的图4.9第4.5.5节中的图4.11第4.5.5节中的图4.12第12.3.2节中的图12.17子类化 抽象-发生泛化层次 第6.3.3节中的图6.25第6.3.4节中的图6.27续表 类别 模 式 名 书 中 位 置软件架构 轮询DAS 第12.2.2节中的图 12.10带有中断的轮询 第12.3.2节中的图 12.16FIFO 队列 第12.4.1节中的图 12.20优先级队列 第12.4.2节中的图 12.21串行端口设计模式 第14.2.2节中的图 14.5静态任务调度器 基于时钟基于帧计时轮 第15.2节第15.3节第22.3节信号量互斥体 会合同步模式多实例资源保护模式 第18.3.1节中的图 18.8第18.4.1节中的图 18.19条件变量 栅栏同步模式生产者-消费者模式读-写锁模式 第18.5.1节中的图 18.24 第18.5.2节中的图 18.27第18.5.3节中的图 18.30消息队列 单向排队模式 第19.3.1节中的图 19.5 确认-单向排队模式双向排队模式 第19.3.2节中的图 19.6第19.3.3节中的图 19.7客户端-服务器排队模式 第19.3.4节中的图 19.10管道 单向管道模式双向管道模式 第20.3节中的图 20.4第20.3节中的图 20.4死锁避免 分层消息传递模式 第21.7.3节中的图 21.8 DAS，检测-确认-服务；FIFO，先进先出；ISR，中断服务例程
其次，统一建模语言Unified Modeling Language，UML是用于指定、可视化、构造和文档化软件系统的图形语言。在各种工程问题中，从单进程的嵌入式系统和单机用户应用程序到并发分布式系统，UML都发挥着重大的作用。本书详细描述编写本书时最新的UML标准：UML 2.4。整本书中，UML图同时用于系统设计和概念说明。特别是，我们详细介绍了UML实时配置文件，这样学生可以学习如何以专业的方式记录他们的实时系统设计。另外，POSIX即可移植操作系统接口是开放性的操作系统接口标准，在各种Unix操作系统变体之间用于开发互操作性和可移植性好的应用程序。构建在实时操作系统上的软件系统可以很容易地移植到其他POSIX兼容的操作系统上。本书使用的是POSIX.1-20082013年版。本书中涵盖的操作系统实现和概念与POSIX.1 -2008标准完全兼容。书中提供的示例代码已在工业界广泛采用的操作系统QNX中测试。由于QNX是POSIX兼容的，因此在不改变源代码的情况下，也可以在另一个POSIX兼容的操作系统中编译并执行程序。简单而言，本书由以下4部分组成：● 第Ⅰ部分专门介绍实时嵌入式系统和迭代开发过程的基础知识。虽然我们重点放在软件方面，但完全与底层硬件隔离既不可行、也不可取。由于这个原因，这个部分也包含微处理器和中断两个章节这是希望构建嵌入式系统软件工程师的基本主题。● 第Ⅱ部分专门讲述实时系统的建模技术。具体来说，我们介绍UML所涵盖的建模工具UML是在学术界和软件工业中普遍接受的一个标准。此外，我们介绍实时UML指定系统模型中与实时相关约束的配置文件。全书一致地使用了UML图来说明关键的概念和设计模式。● 第Ⅲ部分专门讨论实时嵌入式系统的软件架构设计。我们开始于通用架构，这带领我们来到了最复杂的架构实时操作系统。然后，我们的焦点切换到多任务和实时调度这是每一个实时嵌入式系统设计师都要解决的两个关键问题。● 第Ⅳ部分专门讲解系统实施。我们特别专注于在POSIX兼容的操作系统中可用的机制；这个方法意味着本书中给出的设计实施模式也适用于其他POSIX兼容的操作系统。这4个部分共有23个章节。在一个学期的课程中，教师可以为学生讲授感兴趣的部分章节。例如，在第3章中，为了在一个或两个课时中完成授课，可以跳过一些微处理器类型。如果在软件工程原则的预修课程中学过UML基础建模概念，那么第6章、第7章和第8章可用于自我阅读的任务或仅用作参考。根据不同的学生对操作系统基本概念的熟悉程度，在第Ⅳ部分中提到的一些主题例如，消息队列、管道和信号，教师可以因材施教。为了帮助教师和学生使用这本书，在Elsevier指南网站http：booksite.elsevier.com 9780128015070中，我们提供了补充包，其中包括PPT讲义和源代码。扫封底的二维码也可以下载PPT讲义和源代码。在本书中，未能涵盖实时嵌入式系统的每一个重大主题。在决定哪些主题适合软件工程师、哪些需要重点强调、哪些需要省略方面，这已是我能做出的最好判断。对于不同的观点，确实感兴趣的读者可以参考其他课本。鼓励和欢迎来自同行的意见。请随时发送建议到Xiaocong Fan, Behrend College, Pennsylvania State University, Erie, PA 16563, USA e-mail： xfan@psu.edu。我期待听到读者使用本书的反馈。
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