內容簡介

　　《嵌入式係統經典叢書：實時嵌入式係統 設計原則與工程實踐 》融入瞭實時係統、嵌入式係統和軟件工程的新概念和新主題，為開發實時嵌入式應用軟件描繪瞭一幅完整的圖像。在本書中，你不僅可以全麵地理解與微處理器、中斷和係統引導過程相關的概念，領略到實時建模和調度的重要性，而且也將學習建模文檔、建模分析、設計模式和標準的一緻性等軟件工程實踐。

　　本書分為四個部分，幫助你學習嵌入式係統的關鍵概念；第Ⅰ部分介紹瞭開發過程，包括微處理器和中斷章節——這是軟件工程師的基本主題；第Ⅱ部分專門介紹瞭實時係統的建模技術；第Ⅲ部分討論瞭軟件體係架構的設計；第Ⅳ部分檢驗瞭軟件的實現，並重點關注POSIX兼容的操作係統。

　　主要特色

　　◆ 涵蓋瞭*新的UML標準(UML 2.4)

　　◆ 超過20種具有代錶性，可以在一個非常廣泛的實時嵌入式係統係列中重用的*佳的設計模式實踐

　　◆ 在QNX中通過測試的示例代碼，QNX是在行業中廣泛采用的實時操作係統。

　　主要內容

　　◆ 不同嵌入式係統架構的利弊

　　◆ POSIX實時擴展以及如何開發POSIX兼容的實時應用程序

　　◆ 如何使用實時UML記錄具有時序約束的係統設計

　　◆ 與跨平颱開發相關的概念以及所麵臨的挑戰

　　◆ 多任務設計和任務間通信技術(共享內存對象、消息隊列、管道、信號)

　　◆ 如何使用內核對象(如信號量、互斥體、條件變量)來解決RTOS應用程序資源共享的問題

　　◆ 支持“資源管理器”這個概念的原理，以及如何使用資源管理器實現虛擬文件係統

　　◆ 實時調度和幾個關鍵算法的基本原則

內頁插圖

前言/序言

　　嵌入式係統是在一個較大的係統中設計以執行專用功能的電子係統。實時係統為在臨界事件的最壞情況下的響應時間提供瞭保證，同時為非臨界事件提供瞭可接受的一般情況下的響應時間。當實時係統設計成為一個嵌入式組件時，這個組件就稱為實時嵌入式係統，此係統廣泛地應用在消費、工業、醫療和軍事方麵。

　　隨著我們的日常生活越來越依賴於嵌入式技術，近幾年來，對具有開發實時嵌入式軟件技能集的工程師的需求大幅增長。結果是，培養學生在嵌入式軟件的設計和實現方麵的能力變得日益重要。本書專門為高年級本科生或攻讀軟件工程、計算機工程或相關學科的研究生撰寫，但也有益於專注嵌入式軟件開發的在職工程師。

　　本書采用瞭協同閤作的方法，引進瞭實時係統、嵌入式係統和軟件開發原則的概念和主題。讀者不僅可以深入瞭解有關微處理器、中斷和跨平颱開發流程的概念，意識到實時建模和調度的重要性，並且可以得到良好的軟件工程實踐的訓練，這些實踐包括建模文檔、建模分析、設計模式和係統標準的一緻性。

　　本書介紹開發實時嵌入式軟件至關重要的三個方麵。

　　首先，開發實時嵌入式係統軟件涉及許多活動，包括需求規格說明、時序分析、體係架構設計、多任務設計以及跨平颱的測試和調試。本書涵蓋嵌入式軟件開發的全過程，對一些主題進行全麵充分的解釋，而對另外一些主題則一筆帶過(例如，調試和測試)。

　　具體來說，本書係統地介紹各種嵌入式軟件架構，專注於實時操作係統，這是在大型實時操作係統中采用的最先進的架構。此外，我們選擇性地強調可重復使用的設計解決方案。如錶0.1所示，本書介紹許多設計模式，這些設計模式代錶瞭在廣泛的實時嵌入式係統中可重用的最佳實踐。

　　錶0.1 設計模式總結

　　類 彆 模 式 名 書 中 位 置

　　ISR ISR-Pattern-min

　　ISR-Pattern-server

　　中斷鏈

　　中斷級聯

　　中斷禁用

　　雙緩衝

　　兌現第一個請求 第4.5.1節

　　第4.5.2節

　　第4.5.3節中的圖4.7

　　第4.5.4節中的圖4.9

　　第4.5.5節中的圖4.11

　　第4.5.5節中的圖4.12

　　第12.3.2節中的圖12.17

　　子類化 抽象-發生

　　泛化層次 第6.3.3節中的圖6.25

　　第6.3.4節中的圖6.27

　　(續錶)

　　類 彆 模 式 名 書 中 位 置

　　軟件架構 輪詢DAS 第12.2.2節中的圖 12.10

　　帶有中斷的輪詢 第12.3.2節中的圖 12.16

　　FIFO 隊列 第12.4.1節中的圖 12.20

　　優先級隊列 第12.4.2節中的圖 12.21

　　串行端口設計模式 第14.2.2節中的圖 14.5

　　靜態任務調度器 基於時鍾

　　基於幀

　　計時輪 第15.2節

　　第15.3節

　　第22.3節

　　信號量/互斥體 會閤同步模式

　　多實例資源保護模式 第18.3.1節中的圖 18.8

　　第18.4.1節中的圖 18.19

　　條件變量 柵欄同步模式

　　生産者-消費者模式

　　讀-寫鎖模式 第18.5.1節中的圖 18.24

　　第18.5.2節中的圖 18.27

　　第18.5.3節中的圖 18.30

　　消息隊列 單嚮排隊模式 第19.3.1節中的圖 19.5

　　確認-單嚮排隊模式

　　雙嚮排隊模式 第19.3.2節中的圖 19.6

　　第19.3.3節中的圖 19.7

　　客戶端-服務器排隊模式 第19.3.4節中的圖 19.10

　　管道 單嚮管道模式

　　雙嚮管道模式 第20.3節中的圖 20.4

　　第20.3節中的圖 20.4

　　死鎖避免 分層消息傳遞模式 第21.7.3節中的圖 21.8

　　DAS，檢測-確認-服務；FIFO，先進先齣；ISR，中斷服務例程

　　其次，統一建模語言(Unified Modeling Language，UML)是用於指定、可視化、構造和文檔化軟件係統的圖形語言。在各種工程問題中，從單進程的嵌入式係統和單機用戶應用程序到並發分布式係統，UML都發揮著重大的作用。本書詳細描述編寫本書時最新的UML標準：UML 2.4。整本書中，UML圖同時用於係統設計和概念說明。特彆是，我們詳細介紹瞭UML實時配置文件，這樣學生可以學習如何以專業的方式記錄他們的實時係統設計。

　　另外，POSIX(即“可移植操作係統接口”)是開放性的操作係統接口標準，在各種Unix操作係統變體之間用於開發互操作性和可移植性好的應用程序。構建在實時操作係統上的軟件係統可以很容易地移植到其他POSIX兼容的操作係統上。

　　本書使用的是POSIX.1-2008(2013年版)。本書中涵蓋的操作係統實現和概念與POSIX.1 -2008標準完全兼容。書中提供的示例代碼已在工業界廣泛采用的操作係統QNX中測試。由於QNX是POSIX兼容的，因此在不改變源代碼的情況下，也可以在另一個POSIX兼容的操作係統中編譯並執行程序。

　　簡單而言，本書由以下4部分組成：

　　● 第Ⅰ部分專門介紹實時嵌入式係統和迭代開發過程的基礎知識。雖然我們重點放在軟件方麵，但完全與底層硬件隔離既不可行、也不可取。由於這個原因，這個部分也包含微處理器和中斷兩個章節——這是希望構建嵌入式係統軟件工程師的基本主題。

　　● 第Ⅱ部分專門講述實時係統的建模技術。具體來說，我們介紹UML所涵蓋的建模工具——UML是在學術界和軟件工業中普遍接受的一個標準。此外，我們介紹實時UML——指定係統模型中與實時相關約束的配置文件。全書一緻地使用瞭UML圖來說明關鍵的概念和設計模式。

　　● 第Ⅲ部分專門討論實時嵌入式係統的軟件架構設計。我們開始於通用架構，這帶領我們來到瞭最復雜的架構——實時操作係統。然後，我們的焦點切換到多任務和實時調度——這是每一個實時嵌入式係統設計師都要解決的兩個關鍵問題。

　　● 第Ⅳ部分專門講解係統實施。我們特彆專注於在POSIX兼容的操作係統中可用的機製；這個方法意味著本書中給齣的設計/實施模式也適用於其他POSIX兼容的操作係統。

　　這4個部分共有23個章節。在一個學期的課程中，教師可以為學生講授感興趣的部分章節。例如，在第3章中，為瞭在一個或兩個課時中完成授課，可以跳過一些微處理器類型。如果在軟件工程原則的預修課程中學過UML基礎建模概念，那麼第6章、第7章和第8章可用於自我閱讀的任務或僅用作參考。根據不同的學生對操作係統基本概念的熟悉程度，在第Ⅳ部分中提到的一些主題(例如，消息隊列、管道和信號)，教師可以因材施教。

　　為瞭幫助教師和學生使用這本書，在Elsevier指南網站http://booksite.elsevier.com/ 9780128015070中，我們提供瞭補充包，其中包括PPT講義和源代碼。掃封底的二維碼也可以下載PPT講義和源代碼。

　　在本書中，未能涵蓋實時嵌入式係統的每一個重大主題。在決定哪些主題適閤軟件工程師、哪些需要重點強調、哪些需要省略方麵，這已是我能做齣的最好判斷。對於不同的觀點，確實感興趣的讀者可以參考其他課本。

　　鼓勵和歡迎來自同行的意見。請隨時發送建議到Xiaocong Fan, Behrend College, Pennsylvania State University, Erie, PA 16563, USA (e-mail: xfan@psu.edu)。我期待聽到讀者使用本書的反饋。

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嵌入式經典書籍，非常實用。

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