C嵌入式編程設(shè)計(jì)模式

前言

　  譯者序　  隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)等的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制、通信、航空航天、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，其所帶來的效益不可估量。隨著時(shí)間推移，嵌入式系統(tǒng)的需求量呈現(xiàn)指數(shù)增長，并且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，同時(shí)對系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性、安全性以及關(guān)鍵性的要求也日益提高。嵌入式系統(tǒng)如何滿足這種需求，怎樣提高嵌入式軟件的生產(chǎn)率，怎樣以最短的時(shí)間開發(fā)出最令人滿意的、高效可靠的嵌入式軟件成為了擺在人們面前的問題?！? 本書以面向?qū)ο蟮囊暯牵匦聦徱暻度胧较到y(tǒng)，全面總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)中常見的以及關(guān)鍵的設(shè)計(jì)模式。這些模式廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)或嵌入式軟件中。本書還提出了很多新穎的設(shè)計(jì)模式，為使用C語言編程的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者提供了強(qiáng)有力的工具。　  通過這些模式，開發(fā)者可以用最短的時(shí)間設(shè)計(jì)出性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高的嵌入式系統(tǒng)或軟件，而且也能為系統(tǒng)日后的升級維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。讀者能夠從本書中系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，使用C語言以面向?qū)ο蟮囊暯窃O(shè)計(jì)系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)。本書針對嵌入式系統(tǒng)中從內(nèi)存訪問到事件調(diào)度，從狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)到安全性、可靠性保證，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及性能表現(xiàn)的方方面面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，也提出了很好的設(shè)計(jì)規(guī)則?！? 本書的作者擁有30年的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本書是他對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的一次詳細(xì)的總結(jié)。本書的組織條理清晰，不僅是一本關(guān)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的優(yōu)秀書籍，更是一個(gè)針對嵌入式軟件工程的工具箱。讀者可以從這個(gè)工具箱中找到應(yīng)用到工作中的經(jīng)典模式，通過在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中使用這些模式能極大地提高嵌入式系統(tǒng)或軟件的功能和穩(wěn)定性。此外，所有的模式都使用UML來圖形化解釋，讀者可以更直觀地了解模式，并且配有詳細(xì)的C代碼實(shí)現(xiàn)，極大地方便了工作中的使用?？梢哉f本書是一本不可多得的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的好書。　  本書在翻譯的過程中得到了很多人的幫助和鼓勵(lì)，在此感謝機(jī)械工業(yè)出版社編輯在本書翻譯過程中給予的幫助，還要感謝Kourosh Farrokhzadi對本書部分內(nèi)容理解方面給予的指導(dǎo)。由于時(shí)間關(guān)系，雖然盡最大的努力翻譯，但是譯文中難免有疏漏和錯(cuò)誤之處，懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書介紹如何使用設(shè)計(jì)模式為嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建高效且優(yōu)化的C語言設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)方法已經(jīng)過實(shí)踐證明非常有效。
針對嵌入式系統(tǒng)中發(fā)生的問題，本書的設(shè)計(jì)模式給出了模式化的解決方案。通過學(xué)習(xí)本書，你將獲得嵌入式領(lǐng)域?qū)＜襾碇灰椎慕?jīng)驗(yàn)。

作者簡介

　　Bruce Powel
Douglass在俄勒岡大學(xué)獲得運(yùn)動(dòng)生理學(xué)碩士學(xué)位，并在USD醫(yī)學(xué)院獲得神經(jīng)生理學(xué)博士學(xué)位。在USD醫(yī)學(xué)院時(shí)，他開創(chuàng)了一個(gè)叫做自相關(guān)因子分析的新數(shù)學(xué)分支，用于研究多細(xì)胞生物神經(jīng)系統(tǒng)中的信息處理。
Bruce擁有30余年的實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域軟件開發(fā)工作經(jīng)驗(yàn)，并且是實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域和系統(tǒng)工程領(lǐng)域知名的演說家、作家和咨詢顧問。他是嵌入式系統(tǒng)大會(huì)顧問委員會(huì)的成員之一，并且教授軟件估算和調(diào)度、項(xiàng)目管理、面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)、通信協(xié)議、有限狀態(tài)機(jī)、設(shè)計(jì)模式、安全關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等相關(guān)課程。他在實(shí)時(shí)面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理領(lǐng)域有很多年的開發(fā)、講課和咨詢經(jīng)驗(yàn)。他為許多刊物撰寫文章，特別是在實(shí)時(shí)領(lǐng)域。
 他是IBM Rational的首席技術(shù)宣傳官，IBM
Rational是實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)工具的主要生產(chǎn)商，產(chǎn)品包括廣泛使用的建模工具Rhapsody。Bruce與其他UML伙伴合作共同制定了UML標(biāo)準(zhǔn)。他是對象管理組織的實(shí)時(shí)分析與設(shè)計(jì)工作組的前聯(lián)合主席。他還著有一些與其他軟件相關(guān)的書籍，包括：
 《Doing Hard Time:Developing Real-Time Systems
with UML,Objects,Frameworks,and
Patterns》(Addison-Wesley,1999)
 《Real-Time Design Patterns:Robust Scalable
Architecture for Real-Time Systems》(Addison-Wesley,2002)
 《Real-Time UML Third Edition:Advances in the UML
for Real-Time Systems》(Addison-Wesley,2004)
 《Real-Time UML Workshop for Embedded
Systems》(Elsevier,2007)
 《Real-Time Agility》(Addison-Wesley,2009)

書籍目錄

譯者序
　前言
　作者簡介
第1章　什么是嵌入式編程
　1.1　嵌入式系統(tǒng)有何特殊之處
　1.2　面向?qū)ο筮€是結(jié)構(gòu)化
　1.3　小結(jié)
第2章　嵌入式實(shí)時(shí)過程Harmony的嵌入式編程
　2.1　Harmony過程的基本原理
　2.2　方法
　2.3　接下來是什么
第3章　訪問硬件的設(shè)計(jì)模式
　3.1　基本的硬件訪問概念
　3.2　硬件代理模式
　3.3　硬件適配器模式
　3.4　中介者模式
　3.5　觀察者模式
　3.6　去抖動(dòng)模式
　3.7　中斷模式
　3.8　輪詢模式
　3.9　小結(jié)
第4章　嵌入并發(fā)和資源管理的設(shè)計(jì)模式
　4.1　并發(fā)基本概念
　4.2　循環(huán)執(zhí)行模式
　4.3　靜態(tài)優(yōu)先級模式
　4.4　臨界區(qū)模式
　4.5　守衛(wèi)調(diào)用模式
　4.6　隊(duì)列模式
　4.7　匯合模式
　4.8　同時(shí)鎖定模式
　4.9　排序鎖定
　4.10　小結(jié)
第5章　狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式
　5.1　哦，行為
　5.2　基本狀態(tài)機(jī)概念
　5.3　單事件接收器模式
　5.4　多事件接收器模式
　5.5　狀態(tài)表模式
　5.6　狀態(tài)模式
　5.7　與狀態(tài)
　5.8　分解與狀態(tài)模式
　5.9　小結(jié)
第6章　安全性和可靠性模式
　6.1　關(guān)于安全性和可靠性的一些事
　6.2　二進(jìn)制反碼模式
　6.3　CRC模式
　6.4　智能數(shù)據(jù)模式
　6.5　通道模式
　6.6　保護(hù)單通道模式
　6.7　雙通道模式
　6.8　小結(jié)
附錄A　UML表示法
　　

章節(jié)摘錄

　  第1章 什么是嵌入式編程　  我們將學(xué)到：　  ·嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)　  ·面向?qū)ο缶幊膛c結(jié)構(gòu)化編程　  ·使用C語言實(shí)現(xiàn)類、繼承、狀態(tài)機(jī)　  1.1嵌入式系統(tǒng)有何特殊之處　  本書完全著眼于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。為此，需要區(qū)分嵌入式系統(tǒng)和其他系統(tǒng)。在深入討論之前，我們需要理解這種區(qū)別，這樣才能領(lǐng)會(huì)用來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的那些模式和技術(shù)的真諦。　  嵌入式系統(tǒng)可以定義為：不提供通用的計(jì)算環(huán)境，而是致力于完成現(xiàn)實(shí)世界中具體功能的計(jì)算系統(tǒng)。顯然，這樣定義的嵌入式系統(tǒng)非常寬泛，它包括了心臟起搏器中的微型8位嵌入式計(jì)算機(jī)，與控制航天設(shè)備相關(guān)的32位計(jì)算機(jī)，交通設(shè)施、飛行器的消防控制，以及C4ISR（Command，Control，Communications，Computers，Intelligence，Surveillance，and Reconnaissance，指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察）系統(tǒng)的廣域網(wǎng)中用于戰(zhàn)場管理的數(shù)以百計(jì)的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。很多嵌入式系統(tǒng)沒有磁盤，沒有人機(jī)交互，并且僅有很少的存儲(chǔ)空間，但是嵌入式系統(tǒng)的市場空間卻遠(yuǎn)比這些簡單設(shè)備更寬廣?！? 嵌入式系統(tǒng)無處不在：　  ·在醫(yī)藥領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)包括植入設(shè)備（如心臟起搏器、去纖顫器、胰島素泵）、監(jiān)測設(shè)備（如心電圖（ECG/EKG）監(jiān)視器、血?dú)獗O(jiān)測儀、血壓計(jì)、肌電圖（EMG）顯示器）、成像系統(tǒng)（如CT、SPECT、PET、TEM和X射線成像儀），以及治療輸送裝置（如病人呼吸機(jī)、藥物汽化器和輸液泵）?！? ·在電信行業(yè)，涵蓋了手機(jī)、交換設(shè)備、路由器、調(diào)制解調(diào)器和衛(wèi)星等設(shè)備?！? ·在汽車制造領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，管理變速器中的能量傳輸，監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)，控制防抱死系統(tǒng)，提供安全保障并且提供咨詢娛樂服務(wù)，例如：CD和DVD播放器、GPS導(dǎo)航（在一些地方，它可以提供雷達(dá)和激光探測甚至是主動(dòng)雷達(dá)和激光探測應(yīng)對系統(tǒng)）?！? ·在辦公領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)管理電話、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、照明設(shè)備、數(shù)字投影儀、安保系統(tǒng)、防火系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)?！? ·在家中，例子包括微波爐、電視機(jī)、收音機(jī)、洗衣機(jī)，甚至包括真空吸塵器?！? 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)能控制、增強(qiáng)、監(jiān)控和管理幾乎所有高科技設(shè)備，從電視機(jī)到火車，再到工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，而且其應(yīng)用呈上升趨勢。　  嵌入式系統(tǒng)有個(gè)重要的子集即實(shí)時(shí)系統(tǒng)。很多人錯(cuò)誤地認(rèn)為“實(shí)時(shí)”就是“很快”，這種理解是不正確的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一種在系統(tǒng)中必須滿足實(shí)時(shí)性約束才能正確運(yùn)行的系統(tǒng)。通常來看，可以將實(shí)時(shí)系統(tǒng)簡單地分為兩類：其中的一類是“硬”實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它以系統(tǒng)實(shí)時(shí)性約束中的最后期限作為建模依據(jù)，在最后期限到來之前，指定的活動(dòng)必須完成；“軟”實(shí)時(shí)系統(tǒng)則是相對于“硬”實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言的?，它加入時(shí)間期限以外的標(biāo)準(zhǔn)（經(jīng)常是隨機(jī)的）來滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性約束。這些標(biāo)準(zhǔn)包括平均吞吐量、平均執(zhí)行時(shí)間、最大脈沖長度或其他的衡量標(biāo)準(zhǔn)。所有的系統(tǒng)都可以建模為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但是這樣做經(jīng)常造成“過度設(shè)計(jì)”，過度設(shè)計(jì)造成系統(tǒng)運(yùn)行速度過快且擁有更多可用資源（實(shí)際上這些都是不需要的），同時(shí)也提高了系統(tǒng)的續(xù)生成本（recurring cost，近似于“制造成本”）。　  盡管所有的系統(tǒng)都以硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為建模模型，但事實(shí)上很多系統(tǒng)并不是真正的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)響應(yīng)偶爾延遲，甚至整個(gè)輸入事件丟失，大多數(shù)系統(tǒng)將繼續(xù)正常工作。把實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模為“硬”實(shí)時(shí)的主要原因是，可以通過數(shù)學(xué)分析簡化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性約束。　  ……

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