嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論

出版時間:2011-12  出版社:機械工業(yè)出版社  作者:(美)Edward Ashford Lee,(美)Sanjit Arunkumar Seshia  譯者:李實英,賀蓉,李仁發(fā)  
Tag標(biāo)簽:無  

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。

編輯推薦

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用戶評論 (總計4條)

 
 

  •   很不錯的書 師兄很贊算是CPS領(lǐng)域的第一本吧
  •   對于CPS(信息物理系統(tǒng))方法,是本書作者提倡的,通過本書我們就會發(fā)現(xiàn),實質(zhì)上是“忽悠”,用來忽悠基金項目的好東西。要學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)解決工程問題,絕不可能,起碼從這本書這兒,絕對不可能。 從前言看,作者們起初大概是想給嵌入式系統(tǒng)以及與之交互的物理世界建立一個統(tǒng)一的模型(大概是CPS的初衷),然后給出這種嵌入式系統(tǒng)的滿意設(shè)計,最后通過分析來驗證設(shè)計的合理性和正確性。然而,本書的內(nèi)容與這些無關(guān)。前幾章中,作者說是建模,把咱們大學(xué)里的系統(tǒng)論課程簡介了一番,但理論混亂。物理世界和嵌入式計算機系統(tǒng)的抽象,期望是越來越簡單,而不是抽象成一個混沌系統(tǒng)!譬如,例3.1,抽象“跟蹤一個車庫內(nèi)現(xiàn)有車輛個數(shù)”,本來就是一個可逆計數(shù)器,作者把它抽象成樣子像可逆計數(shù)器的模型,還明確說這是個離散事件系統(tǒng),最后卻又把它抽象成一個積分器!再譬如,作者所使用的數(shù)學(xué)符號和習(xí)慣,原書p.28,中譯本p.15的“函數(shù)S:(R -> R)^2 -> (R -> R)”。本人猜了良久,終于跟數(shù)學(xué)課本中的多變量映射的幾何表示給聯(lián)系上了。原來(R -> R)是要表示一個時變變量x(t),而(R -> R)^2要表示兩個時變變量的積空間。要是數(shù)學(xué)課本也按這個習(xí)慣,我們看書時不還得時刻準(zhǔn)備分辨:這是平方?還是積空間? 從作者的寫書的本意出發(fā),在給“嵌入式系統(tǒng)和與之交互的物理世界”建模的這部分內(nèi)容中,概念上...、理論上已經(jīng)混亂至此。我們還能期待CPS些什么? 另一個方面說,本書中可以讀的內(nèi)容,僅有第11章(調(diào)度)。后來在百度學(xué)術(shù)網(wǎng)搜索作者Lee的論文,發(fā)現(xiàn)此人在多任務(wù)調(diào)度方面,的確做過不少研究,而且歷時十年以上! 此外,本人想問譯者一個問題,為啥把書中反復(fù)出現(xiàn)的一個很重要的詞“actor”翻譯成“變量”?根據(jù)Lee發(fā)表的多任務(wù)調(diào)度論文,這個術(shù)語是一個廣義的任務(wù)(task),包括一般操作系統(tǒng)中的task,以及中斷服務(wù)(ISR)等。如果翻譯成“變量”,你們不覺得少了什么嗎? 本人很少寫書評,總是以包容心態(tài)對得每位作者的辛苦勞動。但對于此書,本人建議:買了的,當(dāng)廢紙賣了;沒買的,捂住錢包,別被人忽悠走了! 閱讀更多 ›
  •   這本書用言簡意賅的語言,講解了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中會遇到的很多問題。拓寬了我的設(shè)計角度。不錯,是本好書
  •   本書對于嵌入式系統(tǒng)制造從方法論上進行了描述,對提高硬件制作水平很有借鑒、指導(dǎo)作用。
 

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