《嵌入式系統經典叢書：實時嵌入式系統 設計原則與工程實踐 》融入了實時系統、嵌入式系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了一幅完整的圖像。在本書中，你不僅可以全面地理解與微處理器、中斷和系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致性等軟件工程實踐。
本書分為四個部分，幫助你學習嵌入式系統的關鍵概念；第Ⅰ部分介紹了開發過程，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部分專門介紹了實時系統的建模技術；第Ⅲ部分討論了軟件體系架構的設計；第Ⅳ部分檢驗了軟件的實現，并重點關注POSIX兼容的操作系統。
主要特色
◆ 涵蓋了*新的UML標準(UML 2.4)
◆ 超過20種具有代表性，可以在一個非常廣泛的實時嵌入式系統系列中重用的*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系統。
主要內容
◆ 不同嵌入式系統架構的利弊
◆ 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系統設計
◆ 與跨平臺開發相關的概念以及所面臨的挑戰
◆ 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系統
◆ 實時調度和幾個關鍵算法的基本原則
嵌入式系統是在一個較大的系統中設計以執行專用功能的電子系統。實時系統為在臨界事件的最壞情況下的響應時間提供了保證，同時為非臨界事件提供了可接受的一般情況下的響應時間。當實時系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系統，此系統廣泛地應用在消費、工業、醫療和軍事方面。
隨著我們的日常生活越來越依賴于嵌入式技術，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面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，但也有益于專注嵌入式軟件開發的在職工程師。
本書采用了協同合作的方法，引進了實時系統、嵌入式系統和軟件開發原則的概念和主題。讀者不僅可以深入了解有關微處理器、中斷和跨平臺開發流程的概念，意識到實時建模和調度的重要性，并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、設計模式和系統標準的一致性。
本書介紹開發實時嵌入式軟件至關重要的三個方面。
首先，開發實時嵌入式系統軟件涉及許多活動，包括需求規格說明、時序分析、體系架構設計、多任務設計以及跨平臺的測試和調試。本書涵蓋嵌入式軟件開發的全過程，對一些主題進行全面充分的解釋，而對另外一些主題則一筆帶過(例如，調試和測試)。
具體來說，本書系統地介紹各種嵌入式軟件架構，專注于實時操作系統，這是在大型實時操作系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。如表0.1所示，本書介紹許多設計模式，這些設計模式代表了在廣泛的實時嵌入式系統中可重用的最佳實踐。
表0.1 設計模式總結
類 別 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
雙緩沖
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
(續表)
類 別 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 基于時鐘
基于幀
計時輪 第15.2節
第15.3節
第22.3節
信號量/互斥體 會合同步模式
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
生產者-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 單向排隊模式 第19.3.1節中的圖 19.5
確認-單向排隊模式
雙向排隊模式 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 單向管道模式
雙向管道模式 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，先進先出；ISR，中斷服務例程
其次，統一建模語言(Unified Modeling Language，UML)是用于指定、可視化、構造和文檔化軟件系統的圖形語言。在各種工程問題中，從單進程的嵌入式系統和單機用戶應用程序到并發分布式系統，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圖同時用于系統設計和概念說明。特別是，我們詳細介紹了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系統設計。
另外，POSIX(即“可移植操作系統接口”)是開放性的操作系統接口標準，在各種Unix操作系統變體之間用于開發互操作性和可移植性好的應用程序。構建在實時操作系統上的軟件系統可以很容易地移植到其他POSIX兼容的操作系統上。
本書使用的是POSIX.1-2008(2013年版)。本書中涵蓋的操作系統實現和概念與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系統QNX中測試。由于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兼容的操作系統中編譯并執行程序。
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系統和迭代開發過程的基礎知識。雖然我們重點放在軟件方面，但完全與底層硬件隔離既不可行、也不可取。由于這個原因，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系統軟件工程師的基本主題。
● 第Ⅱ部分專門講述實時系統的建模技術。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——指定系統模型中與實時相關約束的配置文件。全書一致地使用了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系統的軟件架構設計。我們開始于通用架構，這帶領我們來到了最復雜的架構——實時操作系統。然后，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系統設計師都要解決的兩個關鍵問題。
● 第Ⅳ部分專門講解系統實施。我們特別專注于在POSIX兼容的操作系統中可用的機制；這個方法意味著本書中給出的設計/實施模式也適用于其他POSIX兼容的操作系統。
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，為了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，那么第6章、第7章和第8章可用于自我閱讀的任務或僅用作參考。根據不同的學生對操作系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。
為了幫助教師和學生使用這本書，在Elsevier指南網站http://booksite.elsevier.com/ 9780128015070中，我們提供了補充包，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系統的每一個重大主題。在決定哪些主題適合軟件工程師、哪些需要重點強調、哪些需要省略方面，這已是我能做出的最好判斷。對于不同的觀點，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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