實時嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計原則與工程實踐

第Ⅰ部分  引    言
第1章  嵌入式系統(tǒng)和實時系統(tǒng)導(dǎo)論 1
1.1  嵌入式系統(tǒng) 3
1.2  實時系統(tǒng) 4
1.2.1  軟實時系統(tǒng) 4
1.2.2  硬實時系統(tǒng) 5
1.2.3  實時系統(tǒng)的范圍 6
1.3  案例分析：雷達(dá)系統(tǒng) 7
1.4  習(xí)題 10
第2章  跨平臺開發(fā) 11
2.1　跨平臺開發(fā)流程 11
2.2  硬件架構(gòu) 12
2.3　軟件開發(fā) 13
2.3.1　軟件設(shè)計 13
2.3.2　系統(tǒng)編程語言C/C 13
2.3.3  測試硬件無關(guān)模塊 18
2.4  生成目標(biāo)映像 18
2.4.1  交叉開發(fā)工具鏈 18
2.4.2  可執(zhí)行和鏈接格式 21
2.4.3  內(nèi)存映射 26
2.4.4  案例研究：制作QNX映像 28
2.5  轉(zhuǎn)移可執(zhí)行文件對象到
目標(biāo)平臺 29
2.6  在目標(biāo)系統(tǒng)上的集成測試 30
2.7  系統(tǒng)生產(chǎn) 30
2.8  習(xí)題 31
第3章  微處理器入門 33
3.1  微處理器簡介 33
3.1.1  常用的微處理器 33
3.1.2  微處理器特性 35
3.2  PIC18F8720微型芯片 38
3.2.1  存儲器組織 39
3.2.2  字寫模式 41
3.2.3  字節(jié)選擇模式 43
3.2.4  字節(jié)寫模式 45
3.3  Intel 8086 46
3.3.1  存儲器組織 47
3.3.2  獨立的I/O地址空間 48
3.3.3  存儲器地址空間 50
3.3.4  等待狀態(tài) 52
3.4  Intel Pentium 53
3.4.1  總線狀態(tài)轉(zhuǎn)換 56
3.4.2  存儲器組織 60
3.5  ARM926EJ-S 61
3.6  習(xí)題 64
第4章  中斷 67
4.1  中斷導(dǎo)論 67
4.2  外部中斷 67
4.2.1  非向量中斷 68
4.2.2  PIC和向量中斷 69
4.3  軟件中斷 74
4.4  內(nèi)部中斷 75
4.5  ISR的設(shè)計模式 75
4.5.1  一般的ISR設(shè)計模式 75
4.5.2  具有服務(wù)器任務(wù)的ISR 76
4.5.3  ISR鏈 77
4.5.4  ISR級聯(lián) 78
4.5.5  與ISR進(jìn)行數(shù)據(jù)共享 79
4.6  中斷響應(yīng)時間 81
4.7  案例分析：x86 82
4.7.1  硬件中斷 84
4.7.2  綜合匯總 85
4.8  案例研究：ARM處理器 86
4.8.1  硬件中斷 87
4.8.2  綜合匯總 90
4.9  習(xí)題 91
第5章  嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)過程 93
5.1  系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序 93
5.2  系統(tǒng)的引導(dǎo)過程 94
5.2.1  加載嵌入式軟件 94
5.2.2  準(zhǔn)備執(zhí)行嵌入式軟件 95
5.3  案例研究：AT91SAM9G45
引導(dǎo)過程 96
5.4  加載嵌入在操作系統(tǒng)映像中的
ELF目標(biāo)文件 96
5.5  案例研究：基于QNX嵌入式
系統(tǒng)的引導(dǎo)過程 97
5.6 習(xí)題 99
第Ⅱ部分  實時系統(tǒng)建模
第6章  UML結(jié)構(gòu)建?；A(chǔ) 103
6.1  統(tǒng)一建模語言 103
6.2  類圖和類建模 104
6.2.1  類 106
6.2.2  實例層次的關(guān)系 109
6.2.3  依賴關(guān)系 121
6.2.4  泛化關(guān)系 125
6.3  類建模原則 128
6.3.1  模型演化 128
6.3.2  子類化 130
6.3.3  小信息冗余 131
6.3.4  重構(gòu) 134
6.4  對象圖 137
6.5  包圖 138
6.5.1  包引入 138
6.5.2  包合并 139
6.6  習(xí)題 141
第7章  UML體系架構(gòu)建模 143
7.1  體系架構(gòu)的抽象層次 143
7.2  UML結(jié)構(gòu)圖 144
7.3  建模組件 148
7.4  子系統(tǒng)建模 150
7.5  完整系統(tǒng)建模 153
7.6  部署圖 154
7.7  習(xí)題 155
第8章  UML行為建模的基礎(chǔ) 157
8.1  用例圖和用例建模 157
8.1.1  用例圖 157
8.1.2  用例描述 160
8.1.3  用例層次 161
8.2  序列圖 162
8.3  活動圖 167
8.4  習(xí)題 171
第9章  UML中有狀態(tài)行為的建模 173
9.1  狀態(tài)機圖的基礎(chǔ) 173
9.1.1  狀態(tài) 173
9.1.2  轉(zhuǎn)移和事件 174
9.1.3  偽狀態(tài) 175
9.1.4  用狀態(tài)機對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建模 176
9.2  復(fù)合狀態(tài) 178
9.2.1  進(jìn)入點、退出點與歷史 179
9.2.2  并發(fā) 180
9.3  狀態(tài)行為的繼承 181
9.4  有狀態(tài)對象時序圖 183
9.5  舉例：雷達(dá)系統(tǒng)有狀態(tài)行為
的建模 184
9.5.1  收發(fā)機建模 185
9.5.2  鏈路驅(qū)動器的建模 186
9.5.3  指揮消息器的建模 188
9.6  習(xí)題 189
第10章  實時UML：通用資源
建模 191
10.1  實時UML配置文件 191
10.2  資源建模 194
10.2.1  UML核心資源模型 195
10.2.2  動作和動作執(zhí)行 196
10.2.3  受保護資源的UML構(gòu)
造型 197
10.2.4  資源使用 199
10.2.5  資源-客戶圖 200
10.3  時間建模 201
10.3.1  時間觀念 201
10.3.2  定時裝置 202
10.3.3  時間建模構(gòu)造型 204
10.4  并發(fā)建模 206
10.5  習(xí)題 209
第11章  實時UML：模型分析 211
11.1  時序約束的啟發(fā) 211
11.2  RT-UML配置文件可調(diào)度性
建模子配置文件 214
11.2.1  RT-UML配置文件中的可
調(diào)度性分析的元概念 214
11.2.2  可調(diào)度性構(gòu)造型 219
11.2.3  使用可調(diào)度性子配置
文件 221
11.3  RT-UML配置文件性能建模
子配置文件 223
11.3.1  RT-UML配置文件中的性
能分析的元概念 223
11.3.2  性能構(gòu)造型 225
11.3.3  使用性能子配置文件 227
11.4  習(xí)題 231
第Ⅲ部分  實時系統(tǒng)設(shè)計
第12章  實時嵌入式系統(tǒng)軟件
架構(gòu) 237
12.1  實時任務(wù) 237
12.1.1  壞情況下的任務(wù)執(zhí)行
時間 238
12.1.2  任務(wù)規(guī)范 239
12.1.3  任務(wù)時序圖 239
12.1.4  壞情況下的響應(yīng)時間 241
12.1.5  任務(wù)實現(xiàn) 242
12.2  輪詢架構(gòu) 242
12.2.1  案例研究：體溫計 242
12.2.2  通用輪詢架構(gòu) 250
12.2.3  壞情況下的事件響應(yīng)
時間 253
12.3  帶有中斷的輪詢 254
12.3.1  案例研究：西蒙游戲 254
12.3.2  通用架構(gòu) 257
12.3.3  壞情況下的事件響應(yīng)
時間 259
12.4  基于隊列的架構(gòu) 260
12.4.1  非搶占式FIFO隊列 261
12.4.2  非搶占式優(yōu)先隊列 262
12.5  習(xí)題 264
第13章  POSIX和RTOS 267
13.1  POSIX簡介 267
13.1.1  POSIX進(jìn)程和線程 268
13.1.2  POSIX實時擴展 269
13.1.3  POSIX的兼容性和一
致性 275
13.2  任務(wù)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)
行為 276
13.2.1  一般任務(wù)結(jié)構(gòu) 276
13.2.2  任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移 278
13.3  實時操作系統(tǒng) 279
13.4  POSIX實時調(diào)度策略 282
13.4.1  FIFO調(diào)度策略 282
13.4.2  輪詢調(diào)度策略 283
13.4.3  偶發(fā)服務(wù)器調(diào)度策略 284
13.5  其他實時調(diào)度策略 286
13.5.1  小松弛度優(yōu)先 286
13.5.2  早截止期限優(yōu)先 287
13.5.3  截止期限單調(diào)分配的
調(diào)度 288
13.5.4  速率單調(diào)分配的調(diào)度 288
13.6  習(xí)題 289
第14章  多任務(wù) 291
14.1  多任務(wù)簡介 291
14.2  多任務(wù)設(shè)計 292
14.2.1  任務(wù)標(biāo)識 292
14.2.2  任務(wù)轉(zhuǎn)換 295
14.2.3  任務(wù)參數(shù)估計 299
14.3  多任務(wù)資源共享 301
14.3.1  資源死鎖 301
14.3.2  優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 302
14.4  解決資源死鎖 304
14.4.1  死鎖預(yù)防 304
14.4.2  死鎖檢測 304
14.4.3  死鎖避免 305
14.5  解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 307
14.5.1  優(yōu)先級繼承協(xié)議 307
14.5.2  鎖協(xié)議 309
14.5.3  優(yōu)先級天花板協(xié)議 310
14.6  習(xí)題 312
第15章  實時調(diào)度：時鐘驅(qū)動
方式 315
15.1  周期性調(diào)度簡介 315
15.1.1  若干假設(shè) 315
15.1.2  可搶占的非周期作業(yè) 316
15.2  點對點時鐘驅(qū)動調(diào)度 317
15.2.1  點對點時鐘驅(qū)動調(diào)度
程序 318
15.2.2  執(zhí)行開銷 319
15.3  基于幀的調(diào)度 320
15.3.1  幀尺寸的約束 320
15.3.2  健壯的基于幀的調(diào)度 323
15.3.3  基于幀的調(diào)度程序 324
15.4  調(diào)度非周期作業(yè) 325
15.5  拆分任務(wù) 328
15.6  習(xí)題 330
第16章  實時調(diào)度：速率單調(diào)
方式 331
16.1  優(yōu)先級分配 331
16.2  RMA原則 332
16.3  速率單調(diào)分析 335
16.4  完成時間測試 336
16.5  周期變換 339
16.6  通用的可調(diào)度性分析 342
16.6.1  具有阻塞時間項的任務(wù) 342
16.6.2  具有更早截止時間的
任務(wù) 346
16.6.3  示例 347
16.6.4  優(yōu)先級相同的任務(wù) 350
16.7  習(xí)題 351
第17章  實時調(diào)度：偶發(fā)服務(wù)器
程序 355
17.1  偶發(fā)任務(wù) 355
17.2  偶發(fā)服務(wù)器程序 356
17.2.1  偶發(fā)服務(wù)器程序的相關(guān)
任務(wù)設(shè)計 356
17.2.2  驗收測試 358
17.3  樸素偶發(fā)服務(wù)器程序 360
17.3.1  任務(wù)設(shè)計 361
17.3.2  驗收測試 361
17.4  固定優(yōu)先級的偶發(fā)服務(wù)器
程序 362
17.5  具有動態(tài)優(yōu)先級的偶發(fā)
服務(wù)器程序 368
17.6  習(xí)題 371
第IV部分  實現(xiàn)模式
第18章  資源共享 375
18.1  共享變量 375
18.2  共享的內(nèi)存 378
18.2.1  映射文件對象 380
18.2.2  共享的內(nèi)存對象 382
18.3  信號量 384
18.3.1  任務(wù)同步 385
18.3.2  流控制 387
18.3.3  資源保護 387
18.3.4  信號量相關(guān)的POSIX
函數(shù) 389
18.3.5  信號量示例 390
18.4  互斥體 397
18.4.1  互斥體使用模式 398
18.4.2  互斥體相關(guān)的POSIX
函數(shù) 400
18.4.3  使用互斥體的例子 401
18.5  條件變量 404
18.5.1  柵欄同步 405
18.5.2  生產(chǎn)者-消費者模式 410
18.5.3  讀-寫鎖 414
18.6  習(xí)題 418
第19章  任務(wù)間通信：消息隊列 421
19.1  消息隊列簡介 421
19.2  消息隊列靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)
轉(zhuǎn)移 421
19.3  消息隊列使用模式 424
19.3.1  單向通信 424
19.3.2  確認(rèn)-單向通信 425
19.3.3  雙向通信 426
19.3.4  客戶端-服務(wù)器之間的
通信 427
19.4  與消息隊列相關(guān)的POSIX
函數(shù) 430
19.5  使用消息隊列的例子 432
19.6  習(xí)題 437
第20章  任務(wù)間通信：管道 439
20.1  管道簡介 439
20.2  管道的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)
狀態(tài)轉(zhuǎn)移 439
20.3  管道使用模式 442
20.4  與管道相關(guān)的POSIX函數(shù) 442
20.4.1  多個作者和讀者 444
20.4.2  在管道上POSIX的選擇
操作 445
20.5  使用管道的示例 446
20.6  習(xí)題 451
第21章  任務(wù)間通信：發(fā)送信號 453
21.1  POSIX信號簡介 453
21.2  信號處理 455
21.3  信號向量表和處理程序 455
21.4  POSIX信號函數(shù) 456
21.5  POSIX信號的QNX實現(xiàn) 457
21.5.1  示例：在不同進(jìn)程中處理
信號 457
21.5.2  示例：控制任務(wù)服務(wù)器 460
21.6  來自ISR的自旋鎖和中斷
事件 463
21.6.1  POSIX自旋鎖 463
21.6.2  QNX事件結(jié)構(gòu) 464
21.6.3  QNX應(yīng)用程序的中斷
處理 465
21.6.4  示例：來自ISR的中斷
事件 466
21.7  QNX脈沖 473
21.7.1  QNX同步消息傳遞 473
21.7.2  QNX異步脈沖發(fā)生機制 476
21.7.3  分層消息傳遞模式 478
21.7.4  消息接收者的優(yōu)先級
繼承 478
21.7.5  示例：簡單的計時管
理器 479
21.8  習(xí)題 488
第22章  軟件計時器管理 489
22.1  硬件計時器和軟件計時器 489
22.2  軟件計時管理器 491
22.2.1  鏈接到專用計時器ISR 492
22.2.2  使用OS計時器 492
22.3  計時輪 493
22.3.1  精度誤差 495
22.3.2  寬范圍計時器 497
22.4  分層計時輪 497
22.4.1  計時輪參考上下文和計時
器管理 498
22.4.2  實現(xiàn) 500
22.5  習(xí)題 502
第23章  QNX資源管理 505
23.1  QNX資源管理簡介 505
23.2  資源管理器體系架構(gòu) 506
23.2.1  控制結(jié)構(gòu) 507
23.2.2  關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 508
23.3  示例1：作為資源管理器的
計算器 508
23.3.1  上層結(jié)構(gòu) 509
23.3.2  處理來自客戶端的消息 510
23.3.3  注冊到進(jìn)程管理器 517
23.3.4  使用資源管理器 518
23.4  示例2：設(shè)備驅(qū)動程序 520
23.4.1  操縱桿 520
23.4.2  LED指示燈 521
23.4.3  基于輪詢的輸入事件
檢測 523
23.5  習(xí)題 526
參考文獻(xiàn) 527
縮略語 531