實時嵌入式系統設計方法（簡體書）

汽車電子、航空航天和醫療設備等安全關鍵應用系統以高度集成的實時嵌入式(RTE)系統為構造基礎。為了滿足此類應用的功能複雜性、時序可預測性和高可靠性等方面的嚴格要求，需要完整統一的系統設計、實現、驗證和分析方法。

實時嵌入式系統設計的論題非常廣泛，其核心科學基礎和方法涉及控制、計算機、軟件和電子等多個工程領域。本書從實時計算和設計自動化兩方面討論此類系統的系統級設計方法，主要涉及硬件架構、實時操作系統、實時任務調度與共享資源訪問控制、多處理器與分布式實時系統、實時嵌入式軟件設計(程序結構、編程模型、實時編程語言)、形式化方法(設計、建模、驗證)、建模語言與設計框架，以及常用的輔助設計工具等內容，涵蓋應用軟件、運行時環境和硬件系統結構等多個系統層次。書中綱要式地勾畫出基於構件化設計(CBD)和基於模型化設計(MBD)範式的系統設計方法的完整視圖和工程化開發過程的關鍵階段，並展現了學術界的z新研究成果和工業界的應用現狀。

本書面向計算機專業研究生或高年級本科生，需要讀者具備計算機工程、軟件工程、控制工程、電子工程等相關領域的基礎知識。

李曦，博士，中國科學技術大學教授級高級工程師，博導。長期主講本科生“計算機組成原理”和研究生“嵌入式系統設計方法”等課程。負責或參與國家自然基金、國家重點研發計劃等縱橫向科研項目30余項，承擔省部級教學研究課題多項。發表ACM/IEEE Transactions等高水平學術論文100余篇，持有相關技術專利多項。當前主要研究方向為高性能時間可預測體系結構。

前言

實時嵌入式系統或信息物理系統(CPS)具有反應式、安全關鍵、時序關鍵和分布式等重要特徵，強調信息系統與物理系統的交互，其設計方法涉及控制、計算機、通信、電子等學科的融合。設計者不僅需要掌握微控制器編程技術，更需要理解和掌握實時計算理論以及完整的工程化建模、設計和分析方法，才能可預測地完成系統設計，滿足嚴苛的設計約束。實時嵌入式系統設計理論和方法是我國製造業發展升級的核心技術，未來，嵌入式智能系統的應用將日益普及，迫切需要大量高層次專業人才投身於這一領域，但目前國內高校的相關教育比較薄弱，創新性人才培養能力相對不足。

國內外常見的培訓資料或教科書往往單一地討論基於特定嵌入式硬件平臺(如ARM)或特定嵌入式操作系統(如μC/OS、FreeRTOS、Android等)的嵌入式程序編程技術，或討論嵌入式軟件工程（包括形式化方法），但都沒有提供系統設計方法學的整體視圖，相關知識過於分散。近年來，國外的一些嵌入式系統教科書引入了信息物理系統，包含控制工程和計算機工程的理論和方法，但對控制理論和模型的論述過多，計算機專業的學生不容易理解。

結合作者多年的教學和科研實踐，通過對該領域重要課題的梳理，本書從計算機科學與技術視角出發，從實時計算和設計自動化兩方面討論實時嵌入式系統的設計問題。書中一方面討論實時調度、資源管理和實時操作系統等實時計算理論和應用； 另一方面以構件化設計和模型化設計等工程化設計範式為基礎，以自頂向下的“建模設計分析”為關鍵技術路線，以反應式時序行為保證為核心，深入討論實時嵌入式系統的量化和形式化設計與分析技術。

理論、抽象和設計是一般科學技術方法論的核心內容。理論源於數學，抽象源於現實，設計源於工程。系統科學和工程方法用系統的觀點認識和處理問題，是一般科學技術方法論中的重要內容，結構化、層次化和模型化是其基本思想。以此為基礎，實時嵌入式系統設計的論題非常廣泛，難以在一門課程中涵蓋。本書內容的選取圍繞“自頂向下”的系統設計方法展開，涵蓋建模、驗證、設計、實現和分析，期望綱要式地勾畫出完整視圖，而不過多涉及具體系統或平臺的細節。書中對動態系統、混成系統、容錯系統、複雜數字系統(SoC)，以及嵌入式軟件工程、概率模型檢驗、信息安全、能耗優化等內容沒有詳細討論。感興趣的讀者可以進一步參考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等國外經典教科書。基於以上作者各自的專業方向，這些書籍分別討論了實時調度理論、實時軟件工程、分布式實時系統和形式化模型分析與驗證等問題。

李曦、陳香蘭、王超和周學海四位老師共同參與了全書內容的組稿、統稿和修改工作。本書素材基於作者十余年相關研究生課程教學和科研工作的積累，其中參考了大量國內外相關教材、課件和學術論文，某些信息來源甚至難以查找。在此對所引用文獻的作者表示衷心感謝，對遺漏的信息源作者表示歉意。

本書的編寫工作得到軟件工程教指委專業規劃教材第一批建設立項，並得到國家自然科學基金“安全關鍵信息物理系統的時序可預測性問題研究(6177050133)”項目的支持。同時，清華大學出版社黃芝編輯為本書出版做了大量工作，在此一並表示誠摯感謝。

由於作者水平有限，書中難免有不當之處，敬請讀者批評指正。

作者2021年10月

目錄

第1章緒論

1.1實時嵌入式系統及其特徵

1.1.1反應式系統

1.1.2實時系統

1.1.3安全關鍵系統

1.1.4混合關鍵系統

1.1.5分布式實時系統

1.2嵌入式系統設計過程與方法

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計算模型、編程語言與軟件實現

1.4實時嵌入式系統設計方法存在的關鍵問題

1.5本書的組織結構

思考題

第2章實時嵌入式系統硬件架構

2.1微處理器/微控制器

2.1.1CortexM3體系結構

2.1.2XMOS處理器

2.1.3嵌入式處理器IP

2.1.4英飛凌AURIX微控制器

2.2存儲器

2.2.1SPM

2.2.2TCM

2.3定時與脈寬調制

2.3.1計數器與定時器

2.3.2脈寬調制器

2.4系統總線

2.4.1PCI總線

2.4.2PCIe總線

2.4.3AMBA總線

2.4.4MicroBlaze系統總線

2.5本章小結

思考題

第3章實時操作系統

3.1反應式內核

3.2系統服務

3.2.1任務管理

3.2.2任務互斥、同步、通信

3.2.3內存管理

3.2.4時間管理

3.2.5I/O管理

3.2.6異常與中斷管理

3.3RTOS主要性能指標和測試套

3.4典型的RTOS

3.4.1μC/OSⅡ

3.4.2FreeRTOS

3.4.3RTEMS

3.5RTOS標準

3.5.1POSIXRT標準

3.5.2OSEK/VDX標準

3.5.3AUTOSAR OS標準

3.5.4ARINC 653標準

3.6本章小結

思考題

第4章實時任務調度

4.1任務與作業

4.2任務約束

4.2.1事件時序約束模型

4.2.2任務時序約束模型

4.3任務調度

4.3.1任務調度器屬性

4.3.2調度算法分類

4.3.3處理器利用率

4.4調度算法

4.4.1時鐘驅動調度

4.4.2動態任務調度

4.4.3混合任務集調度

4.4.4優先約束任務調度

4.4.5模式切換

4.4.6基於釋放時間的調度

4.4.7有限搶占調度

4.4.8過載處理

4.5可調度性測試與分析

4.5.1EDD保證性測試

4.5.2EDF可調度性測試

4.5.3RM可調度性測試

4.5.4DM算法可調度性

4.5.5響應時間分析

4.6WCET估算

4.6.1影響程序執行時間的因素

4.6.2靜態WCET分析

4.7本章小結

思考題

第5章共享資源訪問控制

5.1互斥

5.2死鎖

5.2.1檢測算法

5.2.2恢復算法

5.2.3死鎖避免

5.2.4死鎖預防

5.2.5替代同步方法

5.3優先級反轉

5.3.1非搶占協議

5.3.2優先級繼承協議

5.3.3天花板優先級協議

5.3.4優先級天花板協議

5.3.5棧資源策略

5.3.6同步協議比較

5.4本章小結

思考題

第6章多處理器與分布式實時系統

6.1多處理器任務調度

6.1.1分區任務調度

6.1.2全局任務調度

6.1.3調度異常

6.2多處理器資源同步

6.2.1存儲模型

6.2.2鎖與互斥訪存

6.2.3多處理器互斥

6.3分布式資源同步

6.3.1分布式互斥

6.3.2分布式死鎖

6.4時鐘同步

6.4.1集中式時鐘同步

6.4.2分布式時鐘同步

6.5分布式實時系統整體調度

6.5.1端到端資源、任務與消息

6.5.2任務同步控制機制

6.5.3釋放抖動

6.5.4整體可調度性分析算法

6.6現場總線

6.6.1CAN總線

6.6.2CANopen總線

6.7通信網絡

6.7.1基本模型

6.7.2AFDX協議

6.7.3FlexRay協議

6.7.4TTP

6.7.5時間觸發體系結構

6.7.6時間觸發以太網

6.7.7無線傳感器網絡

6.8本章小結

思考題

第7章實時嵌入式軟件設計

7.1任務定義與劃分

7.1.1DARTS方法

7.1.2COMET方法

7.1.3任務時間預算

7.2嵌入式程序結構

7.2.1多任務協作

7.2.2主循環結構

7.3時序約束與編程模型

7.3.1時序約束與時鐘

7.3.2實時語言的時間語義

7.3.3實時編程模型

7.3.4程序語句級時序控制

7.4實時編程語言

7.4.1異步範式

7.4.2同步範式

7.5本章小結

思考題

第8章形式化方法

8.1系統級設計方法

8.1.1離散事件系統

8.1.2事件動作模型

8.1.3時間約束滿足問題

8.1.4抽象建模

8.1.5形式驗證

8.2離散行為建模與驗證

8.2.1狀態機模型

8.2.2數據流模型

8.2.3時態邏輯

8.2.4實時邏輯

8.2.5模型檢測驗證示例

8.2.6混成系統建模與驗證

8.3構件組合模型

8.3.1IOA與TIOA

8.3.2IA和TIA

8.3.3語義擴展

8.3.4模塊化性能分析

8.4精化與EventB方法

8.5本章小結

思考題

第9章體系結構建模語言與設計框架

9.1體系結構建模方法

9.2時間行為建模方法

9.2.1時間行為描述

9.2.2時間行為精化

9.3MARTE

9.3.1MARTE時間模型

9.3.2時間行為建模

9.3.3資源建模與模型分析

9.4CCSL

9.4.1時鐘約束

9.4.2時間約束分析

9.5AADL

9.5.1系統體系結構

9.5.2軟件和硬件構件定義

9.5.3特徵分析

9.6BIP

9.6.1系統行為建模

9.6.2待驗證屬性的建模

9.6.3BIP工具集

9.7Ptolemy Ⅱ

9.8AUTOSAR

9.8.1AUTOSAR分層體系結構

9.8.2AUTOSAR軟件架構接口

9.8.3AUTOSAR開發流程

9.8.4AUTOSAR需求工程EASTADL2

9.8.5AUTOSAR時間擴展TIMEX

9.9本章小結

思考題

第10章RTES示例與輔助設計工具

10.1嵌入式控制系統

10.1.1控制器設計步驟

10.1.2PID控制器設計

10.2引擎管理系統

10.2.1汽車發動機工作原理

10.2.2基於AUTOSAR的EMS

10.2.3測試套EMSBench

10.3輔助設計工具

10.3.1代碼執行時間分析

10.3.2可調度性分析與仿真

10.3.3系統建模、設計與分析

10.4本章小結

參考文獻