航天高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)原理與技術

前言

近年來，隨著航天技術的快速發(fā)展，航天型號軟件的規(guī)模、復雜度、重要程度，以及在型號中所承擔的功能比重均呈急劇上升的趨勢。美歐航天發(fā)達國家的航天型號研制經驗表明，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)對于提高復雜型號軟件的開發(fā)效率，以及軟件的可靠性、安全性、繼承性都具有重要意義。實時操作系統(tǒng)（簡稱RTOS）是指能在確定的時間內響應外部事件的一類操作系統(tǒng)。從國外的應用歷程及規(guī)律分析可知，目前我國航天嵌入式RTOS正處于“磨合期”，一旦技術上有所突破，將會出現(xiàn)大量應用的局面。航天型號對RTOS的可靠性、安全性等要求苛刻，雖然RTOS的代碼規(guī)模不大，但是其操作系統(tǒng)內部狀態(tài)組合所帶來的高度復雜性，導致對其進行分析、測試及驗證工作的技術難度高、工作量大，需要非常豐富的實踐經驗和技巧。當前RTOS技術在不斷推陳出新，及時了解、熟悉與掌握最新的原理、技術與方法，對于RTOS的技術選型、自主研發(fā)，以及升級現(xiàn)有的基礎軟件平臺都非常必要。本書以闡述嵌入式RTOS構成原理、方法與技術為主線，圍繞高可靠、高安全這一技術要素進行內容組織，對RTOS設計模型、實現(xiàn)技術、測試方法、支持工具等進行細致而深入的闡述，并提供了大量的系統(tǒng)實例，具有較強的可操作性與較廣的技術覆蓋面。本書內容來源于筆者承擔國家重大科技專項、國防基礎科研、總裝預研、航天科技重點創(chuàng)新基金、航天支撐技術基金等課題的研究成果。筆者針對高可靠RTOS架構、設計、測試與驗證方法等進行了長期跟蹤與研究，并在航天型號研制中進行了實踐。本書是對上述成果的整理與總結。全書共分為8章，從3個方面進行介紹：第1章～第4章介紹RTOS現(xiàn)狀及概述、高可靠軟件標準及規(guī)范、RTOS基本概念及原理以及國外航天應用的RTOS產品；第5章～第7章針對RTOS的設計、實現(xiàn)技術展開，詳細介紹RTOS設計原理、設計模型、系統(tǒng)實例、容錯實時調度、內存空間保護、資源競爭防護、設備驅動加固、容錯恢復以及健康監(jiān)控技術；第8章介紹RTOS的測試技術與方法。本書主要面向航天型號系統(tǒng)軟件的設計、開發(fā)、測試以及管理人員，對于其他嵌入式軟件研發(fā)人員而言，本書也不失為一本有助于拓寬視野、了解和掌握高可靠軟件設計、開發(fā)與測試新技術的可選之書。 

內容概要

嵌入式軟件是航天型號軟件系統(tǒng)的關鍵組成部分。隨著航天型號的快速發(fā)展，嵌入式軟件規(guī)模及復雜度呈快速遞增態(tài)勢。為了降低軟件開發(fā)復雜度，提高系統(tǒng)可靠性，采用高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)已經成為了航天型號研制的必然選擇和迫切需求，嵌入式實時操作系統(tǒng)已經成為航天型號發(fā)展的關鍵支撐技術之一。國內對高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)的研究和應用還比較少，《航天高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)原理與技術》(編著：程勝、蔡銘)全面分析了國內外高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)理論、技術、產品研發(fā)和應用進展，并對研發(fā)航天高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)的理論、方法和相關技術進行了深入闡述，其中很多成果尚屬國內首創(chuàng)?！逗教旄呖煽壳度胧綄崟r操作系統(tǒng)原理與技術》主要面向的讀者是型號軟件的開發(fā)人員、調試人員、測試人員以及管理人員，也可作為相關專業(yè)高等院校師生的參考書。

書籍目錄

第1章 高可靠實時操作系統(tǒng)
 1.1 高可靠實時操作系統(tǒng)概述
 1.2 高可靠RTOS發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
 1.3 航天對高可靠RTOS的需求
 1.4 本書的結構
第2章 安全關鍵軟件設計標準及規(guī)范概述
 2.1 軟件可靠性
  2.1.1 軟件可靠性概念
  2.1.2 軟件可靠性評價
 2.2 高可靠軟件設計
  2.2.1 軟件可靠性工程
  2.2.2 軟件可靠性設計技術
 2.3 軟件可靠性與防危性區(qū)別
 2.4 國外安全關鍵軟件研制標準
  2.4.1 DO-178B標準
  2.4.2 ARINC653標準
  2.4.3 NASA標準
  2.4.4 ECSS標準
  2.4.5 DOD標準
 2.5 國內安全關鍵軟件研制標準
  2.5.1 GJB 2786-96標準
  2.5.2 GJB/Z 102-97標準
  2.5.3 GJB 438A-97標準
第3章 RTOS基本概念和原理
 3.1 RTOS總體結構
 3.2 RTOS內核
  3.2.1 RTOS內核概述
  3.2.2 任務調度管理
  3.2.3 內存管理
  3.2.4 同步與通信
  3.2.5 中斷/異常管理
  3.2.6 時鐘定時器
 3.3 設備管理與驅動
  3.3.1 設備管理
  3.3.2 設備驅動
 3.4 嵌入式文件系統(tǒng)
  3.4.1 概述
  3.4.2 Flash文件系統(tǒng)
第4章 國外航天應用的RTOS產品
 4.1 VxWorks產品介紹
  4.1.1 VxWorks基本結構
  4.1.2 VxWorks主流版本
 4.2 Integrity產品介紹
  4.2.1 Integrity-178B RTOS
  4.2.2 Integrity RTOS
  4.2.3 Integrity PC
 4.3 RTEMS產品介紹
  4.3.1 RTEMS內核結構及功能特點
  4.3.2 RTEMS版本發(fā)展
 4.4 QNX產品介紹
  4.4.1 QNX Neutrino RTOS
  4.4.2 QNX Neutrino RTOS Secure Kernel
  4.4.3 QNX Neutrino RTOS Safe Kernel
  4.4.4 QNX RTOS v4
 4.5 LynxOS產品介紹
  4.5.1 LynxOS
  4.5.2 LynxOS-178B
  4.5.3 LynxOS-SE
第5章 高可靠RTOS設計原理
 5.1 RTOS可靠性設計理念
  5.1.1 RTOS可靠性設計面臨問題
  5.1.2 高可靠RTOS設計模型
  5.1.3 可靠性與性能的權衡設計
 5.2 高可靠RTOS設計范例
  5.2.1 分區(qū)操作系統(tǒng)
  5.2.2 基于虛擬化的安全操作系統(tǒng)
  5.2.3 基于二代微內核的安全操作系統(tǒng)
 5.3 RTOS驗證技術
第6章 高可靠RTOS內核實現(xiàn)技術
 6.1 容錯實時調度
  6.1.1 容錯實時調度概述
  6.1.2 容錯實時調度算法介紹
 6.2 內存保護
  6.2.1 內存保護的重要性
  6.2.2 多層次內存保護技術
  6.2.3 內存泄露的動態(tài)監(jiān)測及回收
  6.2.4 蒙德里安內存保護
 6.3 空間輻照環(huán)境下的內存數(shù)據(jù)可靠存儲
  6.3.1 空間輻照概述
  6.3.2 冗余內存分配技術
  6.3.3 內存冗余編碼技術
 6.4 資源競爭防護
  6.4.1 資源競爭問題及防護技術
  6.4.2 動態(tài)檢測算法
  6.4.3 靜態(tài)檢測算法
第7章 設備驅動及可靠性增強技術
 7.1 高可靠RTOS設備驅動技術
  7.1.1 設備驅動概述
  7.1.2 設備驅動出現(xiàn)問題分析
  7.1.3 提高驅動可靠性的技術概述
  7.1.4 設備驅動加固技術介紹
 7.2 高可靠RTOS容錯技術
  7.2.1 高可靠RTOS容錯技術意義
  7.2.2 容錯技術
  7.2.3 錯誤屏蔽策略
  7.2.4 錯誤恢復策略
  7.2.5 RTOS容錯實現(xiàn)技術
 7.3 RTOS健康管理
  7.3.1 健康管理
  7.3.2 ASAAC中的系統(tǒng)管理
  7.3.3 ARINC653中的健康管理
  7.3.4 基于模型的健康管理技術
第8章 RTOS測試技術和方法
 8.1 RTOS測試技術概述
  8.1.1 軟件測試是RTOS可靠性保障的重要手段
  8.1.2 RTOS測試方法分類
 8.2 RTOS覆蓋率測試
  8.2.1 覆蓋率測試
  8.2.2 覆蓋率測試工具簡介
  8.2.3 目標碼覆蓋率測試
 8.3 RTOS綜合功能測試
  8.3.1 RTOS功能點
  8.3.2 RTOS綜合功能測試模型
  8.3.3 多維測試模型
 8.4 RTOS性能測試
  8.4.1 時間參考
  8.4.2 性能指標
  8.4.3 最大關中斷時間比較方法
 8.5 RTOS基準測試
  8.5.1 RTOS基準測試套件
  8.5.2 Rhealstone
  8.5.3 ThreadMetric
  8.5.4 HartStone
  8.5.5 混合負載基準測試
 8.6 RTOS測試支撐技術
  8.6.1 RTOS接口測試自動化技術
  8.6.2 RTOS可移植接口技術
參考文獻

編輯推薦

程勝、蔡銘編著的《航天高可靠嵌入式實時操作系統(tǒng)原理與技術》共分為8章，從3個方面進行介紹：第1章～第4章介紹RToS現(xiàn)狀及概述、高可靠軟件標準及規(guī)范、RTOS基本概念及原理以及國外航天應用的RTOS產品；第5章～第7章針對RToS的設計、實現(xiàn)技術展開，詳細介紹RTOS設計原理、設計模型、系統(tǒng)實例、容錯實時調度、內存空間保護、資源競爭防護、設備驅動加固、容錯恢復以及健康監(jiān)控技術；第8章介紹RTOS的測試技術與方法。    本書主要面向航天型號系統(tǒng)軟件的設計、開發(fā)、測試以及管理人員，對于其他嵌入式軟件研發(fā)人員而言，本書也不失為一本有助于拓寬視野、了解和掌握高可靠軟件設計、開發(fā)與測試新技術的可選之書。

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