嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统设计原则与工程实践

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序言

　　嵌入式系统是在一个较大的系统中设计以执行专用功能的电子系统。实时系统为在临界事件的坏情况下的响应时间提供了保证，同时为非临界事件提供了可接受的一般情况下的响应时间。当实时系统设计成为一个嵌入式组件时，这个组件就称为实时嵌入式系统，此系统广泛地应用在消费、工业、医疗和军事方面。

　　随着我们的日常生活越来越依赖于嵌入式技术，近几年来，对具有开发实时嵌入式软件技能集的工程师的需求大幅增长。结果是，培养学生在嵌入式软件的设计和实现方面的能力变得日益重要。本书专门为高年级本科生或攻读软件工程、计算机工程或相关学科的研究生撰写，但也有益于专注嵌入式软件开发的在职工程师。

　　本书采用了协同合作的方法，引进了实时系统、嵌入式系统和软件开发原则的概念和主题。读者不仅可以深入了解有关微处理器、中断和跨平台开发流程的概念，意识到实时建模和调度的重要性，并且可以得到良好的软件工程实践的训练，这些实践包括建模文档、建模分析、设计模式和系统标准的一致性。

　　本书介绍开发实时嵌入式软件至关重要的三个方面。

　　首先，开发实时嵌入式系统软件涉及许多活动，包括需求规格说明、时序分析、体系架构设计、多任务设计以及跨平台的测试和调试。本书涵盖嵌入式软件开发的全过程，对一些主题进行全面充分的解释，而对另外一些主题则一笔带过(例如，调试和测试)。

　　具体来说，本书系统地介绍各种嵌入式软件架构，专注于实时操作系统，这是在大型实时操作系统中采用的先进的架构。此外，我们选择性地强调可重复使用的设计解决方案。如表0.1所示，本书介绍许多设计模式，这些设计模式了在广泛的实时嵌入式系统中可重用的佳实践。

　　表0.1 设计模式总结

　　类 别 模 式 名 书 中 位 置

　　ISR ISR-Pattern-min

　　ISR-Pattern-server

　　中断链

　　中断级联

　　中断禁用

　　双缓冲

　　兑现个请求 第4.5.1节

　　第4.5.2节

　　第4.5.3节中的图4.7

　　第4.5.4节中的图4.9

　　第4.5.5节中的图4.11

　　第4.5.5节中的图4.12

　　2.3.2节中的图12.17

　　子类化 抽象-发生

　　泛化层次 第6.3.3节中的图6.25

　　第6.3.4节中的图6.27

　　(续表)

　　类 别 模 式 名 书 中 位 置

　　软件架构 轮询DAS 2.2.2节中的图 12.10

　　带有中断的轮询 2.3.2节中的图 12.16

　　FIFO 队列 2.4.1节中的图 12.20

　　优先级队列 2.4.2节中的图 12.21

　　串行端口设计模式 4.2.2节中的图 14.5

　　静态任务调度器 基于时钟

　　基于帧

　　计时轮 5.2节

　　5.3节

　　第22.3节

　　信号量/互斥体 会合同步模式

　　多实例资源保护模式 8.3.1节中的图 18.8

　　8.4.1节中的图 18.19

　　条件变量 栅栏同步模式

　　生产者-消费者模式

　　读-写锁模式 8.5.1节中的图 18.24

　　8.5.2节中的图 18.27

　　8.5.3节中的图 18.30

　　消息队列 单向排队模式 9.3.1节中的图 19.5

　　确认-单向排队模式

　　双向排队模式 9.3.2节中的图 19.6

　　9.3.3节中的图 19.7

　　客户端-服务器排队模式 9.3.4节中的图 19.10

　　管道 单向管道模式

　　双向管道模式 第20.3节中的图 20.4

　　第20.3节中的图 20.4

　　死锁避免 分层消息传递模式 第21.7.3节中的图 21.8

　　DAS，检测-确认-服务；FIFO，先进先出；ISR，中断服务例程

　　其次，统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)是用于指定、可视化、构造和文档化软件系统的图形语言。在各种工程问题中，从单进程的嵌入式系统和单机用户应用程序到并发分布式系统，UML都发挥着重大的作用。本书详细描述编写本书时新的UML标准：UML 2.4。整本书中，UML图同时用于系统设计和概念说明。特别是，我们详细介绍了UML实时配置文件，这样学生可以学习如何以专业的方式记录他们的实时系统设计。

　　另外，POSIX(即“可移植操作系统接口”)是开放性的操作系统接口标准，在各种Unix操作系统变体之间用于开发互操作性和可移植性好的应用程序。构建在实时操作系统上的软件系统可以很容易地移植到其他POSIX兼容的操作系统上。

　　本书使用的是POSIX.1-2008(2013年版)。本书中涵盖的操作系统实现和概念与POSIX.1 -2008标准完全兼容。书中提供的示例代码已在工业界广泛采用的操作系统QNX中测试。由于QNX是POSIX兼容的，因此在不改变源代码的情况下，也可以在另一个POSIX兼容的操作系统中编译并执行程序。

　　简单而言，本书由以下4部分组成：

　　 第部分专门介绍实时嵌入式系统和迭代开发过程的基础知识。虽然我们重点放在软件方面，但完全与底层硬件隔离既不可行、也不可取。由于这个原因，这个部分也包含微处理器和中断两个章节——这是希望构建嵌入式系统软件工程师的基本主题。

　　 第部分专门讲述实时系统的建模技术。具体来说，我们介绍UML所涵盖的建模工具——UML是在学术界和软件工业中普遍接受的一个标准。此外，我们介绍实时UML——指定系统模型中与实时相关约束的配置文件。全书一致地使用了UML图来说明关键的概念和设计模式。

　　 第部分专门讨论实时嵌入式系统的软件架构设计。我们开始于通用架构，这带领我们来到了复杂的架构——实时操作系统。然后，我们的焦点切换到多任务和实时调度——这是每一个实时嵌入式系统设计师都要解决的两个关键问题。

　　 第部分专门讲解系统实施。我们特别专注于在POSIX兼容的操作系统中可用的机制；这个方法意味着本书中给出的设计/实施模式也适用于其他POSIX兼容的操作系统。

　　这4个部分共有23个章节。在一个学期的课程中，教师可以为学生讲授感兴趣的部分章节。例如，在第3章中，为了在一个或两个课时中完成授课，可以跳过一些微处理器类型。如果在软件工程原则的预修课程中学过UML基础建模概念，那么第6章、第7章和第8章可用于自我阅读的任务或仅用作参考。根据不同的学生对操作系统基本概念的熟悉程度，在第部分中提到的一些主题(例如，消息队列、管道和信号)，教师可以因材施教。

　　为了帮助教师和学生使用这本书，在Elsevier指南网站booksite.elsevier./ 9780128015070中，我们提供了补充包，其中包括PPT讲义和源代码。扫封底的二维码也可以下载PPT讲义和源代码。

　　在本书中，未能涵盖实时嵌入式系统的每一个重大主题。在决定哪些主题适合软件工程师、哪些需要重点强调、哪些需要省略方面，这已是我能做出的好判断。对于不同的观点，确实感兴趣的读者可以参考其他课本。

　　鼓励和欢迎来自同行的意见。请随时发送建议到Xiaocong Fan, Behrend College, Pennsylvania State University, Erie, PA 16563, USA (e-: xfan@psu.edu)。我期待听到读者使用本书的反馈。