嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論

內(nèi)容概要

　　本書是業(yè)界第一本關(guān)于CPS的專著，重點論述系統(tǒng)模型與系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)系，以及軟件和硬件與物理環(huán)境的相互作用。
　　從CPS的視角，圍繞系統(tǒng)的建模、設(shè)計和分析這三個方面，本書分成四大部分。第一部分（第2～6章）分別講述動態(tài)建模、離散建模和混合建模，以及狀態(tài)機的并發(fā)組合與并發(fā)計算模型。第二部分（第7～11章）強調(diào)嵌入式系統(tǒng)中處理器、存儲器架構(gòu)、輸入和輸出、多任務(wù)處理和實時調(diào)度的算法與設(shè)計
，以及這些設(shè)計在CPS中的主要作用。第三部分（第12～15章）重點介紹一些系統(tǒng)特性的精確規(guī)格、規(guī)格之間的比較方法、規(guī)格與產(chǎn)品設(shè)計的分析方法以及嵌入式軟件特性的定量分析方法。第四部分包括兩個附錄，提供了一些數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)的背景知識，有助于讀者加深對文中所介紹知識的理解。本書通過大量實例深入淺出地介紹了設(shè)計和實現(xiàn)CPS的整體過程及各階段的細節(jié)。
　　本書適合作為高等院校相關(guān)專業(yè)“嵌入式系統(tǒng)”課程的教材或教學(xué)參考書。

作者簡介

Edward Ashford Lee 擁有加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，曾為加州大學(xué)伯克利分校電子工程與計算機科學(xué)系主任，現(xiàn)為該系Robert S. Pepper特聘教授。他的主要研究方向是嵌入式與實時計算系統(tǒng)的設(shè)計、建模和模擬。Lee教授是IEEE會員，于1997年獲得工程教育領(lǐng)域的Frederick Emmons Terman獎。
Sanjit Arunkumar Seshia 擁有卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)計算機科學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為美國加州大學(xué)伯克利分校電子工程與計算機科學(xué)系副教授。他的主要研究方向是可信計算和計算邏輯。他獲得了科學(xué)和工程領(lǐng)域的總統(tǒng)早期職業(yè)生涯獎（PECASE）和Alfred P. Sloan研究獎金。

書籍目錄

Introduction to Embedded Systems—A Cyber?Physical Systems
Approach
出版者的話
譯者序
前言
符號
第1章　緒論
　1.1　應(yīng)用
　1.2　一個實例
　1.3　設(shè)計過程
　　1.3.1　建模
　　1.3.2　設(shè)計
　　1.3.3　分析
　　1.4　小結(jié)
第一部分　　動態(tài)行為建模
　第2章　連續(xù)動態(tài)
　　2.1　牛頓力學(xué)
　　2.2　參量模型
　　2.3　系統(tǒng)的特性
　　　2.3.1　因果關(guān)系系統(tǒng)
　　　2.3.2　無記憶系統(tǒng)
　　　2.3.3　線性和時不變性
　　　2.3.4　穩(wěn)定性
　　2.4　反饋控制
　　2.5　小結(jié)
　　練習(xí)
　第3章　離散動態(tài)
　　3.1　離散系統(tǒng)
　　3.2　狀態(tài)的概念
　　3.3　有限狀態(tài)機
　　　3.3.1　轉(zhuǎn)移
　　　3.3.2　發(fā)生響應(yīng)時
　　　3.3.3　升級函數(shù)
　　　3.3.4　確定性和可接受性
　　3.4　擴展?fàn)顟B(tài)機
　　3.5　非確定性
　　　3.5.1　形式化模型
　　　3.5.2　非確定性的用途
　　3.6　行為和軌跡
　　3.7　小結(jié)
　　練習(xí)
　第4章　混合系統(tǒng)
　　4.1　模態(tài)模型
　　　4.1.1　狀態(tài)機的參量模型
　　　4.1.2　連續(xù)輸入
　　　4.1.3　狀態(tài)精化
　　4.2　混合系統(tǒng)的分類
　　　4.2.1　時間自動機
　　　4.2.2　高階動態(tài)
　　　4.2.3　管理控制
　　4.3　小結(jié)
　　練習(xí)
　第5章　狀態(tài)機的組合
　　5.1　并發(fā)組合
　　　5.1.1　并列同步組合
　　　5.1.2　并列異步組合
　　　5.1.3　共享變量
　　　5.1.4　級聯(lián)組合
　　　5.1.5　通用組合
　　5.2　分層狀態(tài)機
　　5.3　小結(jié)
　　練習(xí)
　第6章　并發(fā)計算模型
　　6.1　模型結(jié)構(gòu)
　　6.2　同步響應(yīng)模型
　　　6.2.1　反饋模型
　　　6.2.2　形式規(guī)范和形式不規(guī)范模型
　　　6.2.3　構(gòu)建一個固定點
　　6.3　數(shù)據(jù)流計算模型
　　　6.3.1　數(shù)據(jù)流原理
　　　6.3.2　同步數(shù)據(jù)流
　　　6.3.3　動態(tài)數(shù)據(jù)流
　　　6.3.4　結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流
　　　6.3.5　進程網(wǎng)絡(luò)
　　6.4　實時計算模型
　　　6.4.1　時間觸發(fā)模型
　　　6.4.2　離散事件系統(tǒng)
　　　6.4.3　連續(xù)時間系統(tǒng)
　　6.5　小結(jié)
　　練習(xí)
第二部分　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
　第7章　嵌入式處理器
　　7.1　處理器類型
　　　7.1.1　微控制器
　　　7.1.2　DSP處理器
　　　7.1.3　圖形處理器
　　7.2　并行處理
　　　7.2.1　并行處理與并發(fā)處理
　　　7.2.2　流水線
　　　7.2.3　指令級并行
　　　7.2.4　多核架構(gòu)
　　7.3　小結(jié)
　　練習(xí)
　第8章　存儲器架構(gòu)
　　8.1　存儲技術(shù)
　　　8.1.1　RAM
　　　8.1.2　非易失性存儲器
　　8.2　存儲器層次結(jié)構(gòu)
　　　8.2.1　存儲映射
　　　8.2.2　寄存器文件
　　　8.2.3　便簽式存儲器和高速緩沖存儲器
　　8.3　存儲模型
　　　8.3.1　存儲地址
　　　8.3.2　棧
　　　8.3.3　存儲器保護單元
　　　8.3.4　動態(tài)存儲分配
　　　8.3.5C　的存儲模型
　　8.4　小結(jié)
　　練習(xí)
　第9章　輸入和輸出
　　9.1　I/O硬件
　　　9.1.1　脈寬調(diào)制
　　　9.1.2　通用數(shù)字I/O
　　　9.1.3　串行接口
　　　9.1.4　并行接口
　　　9.1.5　總線
　　9.2　并發(fā)環(huán)境下的順序軟件
　　　9.2.1　中斷和異常
　　　9.2.2　原子性
　　　9.2.3　中斷控制器
　　　9.2.4　中斷建模
　　9.3　模擬/數(shù)字接口
　　　9.3.1　數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換
　　　9.3.2　信號調(diào)節(jié)
　　　9.3.3　采樣和走樣
　　9.4　小結(jié)
　　練習(xí)
　第10章　多任務(wù)處理
　　10.1　命令式程序
　　10.2　多線程
　　　10.2.1　創(chuàng)建線程
　　　10.2.2　實現(xiàn)多線程
　　　10.2.3　互斥
　　　10.2.4　死鎖
　　　10.2.5　存儲一致性模型
　　　10.2.6　多線程問題
　　10.3　進程和消息傳遞
　　10.4　小結(jié)
　　練習(xí)
　第11章　調(diào)度
　　11.1　調(diào)度的基礎(chǔ)知識
　　　11.1.1　調(diào)度決策
　　　11.1.2　任務(wù)模型
　　　11.1.3　調(diào)度程序的比較
　　　11.1.4　調(diào)度程序的實現(xiàn)
　　11.2　單調(diào)速率調(diào)度
　　11.3　最早時限優(yōu)先
　　11.4　調(diào)度和互斥
　　　11.4.1　優(yōu)先級倒置
　　　11.4.2　優(yōu)先級繼承協(xié)議
　　　11.4.3　優(yōu)先級上限協(xié)議
　　11.5　多處理器調(diào)度
　　11.6　小結(jié)
　　練習(xí)
第三部分　分析和驗證
　第12章　不變量與時序邏輯
　　12.1　不變量
　　12.2　線性時序邏輯
　　　12.2.1　命題邏輯公式
　　　12.2.2　LTL公式
　　　12.2.3　LTL公式的應(yīng)用
　　12.3　小結(jié)
　　練習(xí)
　　第13章　等價與精化
　　13.1　規(guī)格建模
　　13.2　類型等價與類型精化
　　13.3　語言等價與包含
　　13.4　模擬
　　　13.4.1　模擬關(guān)系
　　　13.4.2　形式化模型
　　　13.4.3　傳遞性
　　　13.4.4　模擬關(guān)系的非唯一性
　　　13.4.5　模擬與語言包含
　　13.5　互模擬
　　13.6　小結(jié)
　　練習(xí)
　第14章　可到達性分析和模型檢測
　　14.1　開放式與封閉式系統(tǒng)
　　14.2　可到達性分析
　　　14.2.1　Gp驗證
　　　14.2.2　顯態(tài)模型檢測
　　　14.2.3　符號化模型檢測
　　14.3　模型檢測中的抽象
　　14.4　活躍屬性的模型檢測
　　　14.4.1　屬性的自動機表達
　　　14.4.2　尋找可接受循環(huán)
　　14.5　小結(jié)
　　練習(xí)
　第15章　定量分析
　　15.1　關(guān)注的問題
　　　15.1.1　極限分析
　　　15.1.2　閾值分析
　　　15.1.3　一般情況分析
　　15.2　程序圖
　　　15.2.1　基本塊
　　　15.2.2　控制流圖
　　　15.2.3　函數(shù)調(diào)用
　　15.3　執(zhí)行時間的決定因素
　　　15.3.1　循環(huán)界限
　　　15.3.2　指數(shù)的路徑空間
　　　15.3.3　路徑的可行性
　　　15.3.4　存儲層次
　　15.4　執(zhí)行時間分析的基礎(chǔ)
　　　15.4.1　最優(yōu)化問題的形式化
　　　15.4.2　邏輯流約束
　　　15.4.3　基本塊的界限
　　15.5　其他定量分析問題
　　　15.5.1　存儲界限分析
　　　15.5.2　能耗和功耗分析
　　15.6　小結(jié)
　　練習(xí)
第四部分　附錄
附錄A集合和函數(shù)
附錄B復(fù)雜度和可計算性理論
參考書目

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   DSP處理器通常增加一個或兩個額外的階段來執(zhí)行乘法，提供一個單獨的ALU用于地址計算，提供一個雙數(shù)據(jù)存儲器來同時訪問兩個運算子（后一種設(shè)計使用的是哈佛架構(gòu)）。然而，一個沒有獨立ALU單元的簡單版本就足以說明嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師所需面對的問題。 鎖存器之間的流水線部分是并行執(zhí)行的。顯而易見，同時有5條指令執(zhí)行，每條指令都處于不同的執(zhí)行階段。如圖7—3所示的預(yù)留表（reservation table）表示得很清楚。該表給出了可以在左側(cè)同時使用的硬件資源。在這種情形下，寄存器組出現(xiàn)三次，因為圖7—2中的流水線假設(shè)每個周期可以出現(xiàn)兩次讀和一次寫寄存器文件。 圖7—3的預(yù)留表給出一個程序中的指令序列A，B，C，D，E。在第5個周期，取指令E，這時指令D從寄存器組讀取數(shù)據(jù)，指令C使用ALU，指令月從存儲器讀取數(shù)據(jù)或向存儲器寫人數(shù)據(jù)，指令A(yù)將結(jié)果寫回寄存器組。指令A(yù)的寫操作出現(xiàn)在第5周期，但是指令月的讀操作出現(xiàn)在第3周期。因此，指令B讀取的值不是指令A(yù)寫回的值。這種現(xiàn)象稱做數(shù)據(jù)沖突（data hazard），是流水線沖突（pipeline hazard）的一種形式。流水線沖突是由圖7—2中虛線標(biāo)示部分引起的。程序員通常希望如果指令A(yù)出現(xiàn)在指令月之前，那么A計算的結(jié)果對月是可用的，因此這種行為可能是不被接受的。 計算機架構(gòu)師已經(jīng)通過很多方法來解決流水線沖突問題。最簡單的一種方法是顯式流水線（explicit pipeline）。利用這種方法，只是將流水線沖突記錄下來，程序員（或編譯器）必須對其進行處理。以B讀取A寫入寄存器的數(shù)據(jù)為例，編譯器會在指令A(yù)和B之間插入三個no—op指令（該指令什么都不做）來保證寫操作出現(xiàn)在讀操作之前。這些no—op指令形成暫停流水線的流水線氣泡（pipeline bubble）。 一種更加有效的方法是提供互鎖（interlock）。利用這種方法，當(dāng)遇到指令B讀取A寫入寄存器的數(shù)據(jù)時，指令譯碼硬件會檢測到?jīng)_突并延遲指令B的執(zhí)行，直到A完成寫回階段。對于這個流水線，B需要延遲三個時鐘周期來等待A完成，如圖7—4所示。如果利用復(fù)雜一些的前向（forwarding）邏輯，可以檢測到A寫入的位置與B讀取的位置相同，并且直接提供所需數(shù)據(jù)而不需要在讀操作之前進行寫操作，這樣可以將延遲減少至兩個時鐘周期。

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《嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論:CPS方法》不同于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的書籍著重于計算機技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，《嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論:CPS方法》的重點是論述系統(tǒng)模型與系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)系，以及軟件和硬件與物理環(huán)境的相互作用?！肚度胧较到y(tǒng)導(dǎo)論:CPS方法》適合作為高等院校相關(guān)專業(yè)“嵌入式系統(tǒng)”課程的教材或教學(xué)參考書。

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