分布式实时系统原理与设计方法PDF电子书下载

第1章 实时环境 1

1.1实时计算机系统 1

1.2功能需求 2

1.2.1数据采集 2

1.2.2直接数字控制 4

1.2.3人机交互 4

1.3时域需求 5

1.3.1时域需求的出处 5

1.3.2最小延迟抖动 7

1.3.3最小错误检测延迟 7

1.4可信需求 7

1.4.1可靠性 7

1.4.2安全性 8

1.4.3可维护性 8

1.4.4可用性 9

1.4.5信息安全 9

1.5实时系统分类 9

1.5.1硬实时系统与软实时系统 10

1.5.2失效安全系统与失效可运作系统 11

1.5.3响应有保证系统与尽力而为系统 11

1.5.4资源充分系统与资源受限系统 12

1.5.5事件触发系统与时间触发系统 12

1.6实时系统产品的市场分析 12

1.6.1嵌入式实时系统 13

1.6.2工厂自动化系统 14

1.6.3多媒体系统 15

1.7实时系统典型案例 15

1.7.1管道流量控制系统 15

1.7.2发动机控制器 16

1.7.3自动轧钢系统 17

要点回顾 18

文献注解 19

复习题 19

第2章 简约设计 21

2.1认知 21

2.1.1问题求解 21

2.1.2概念定义 23

2.1.3认知复杂性 23

2.1.4简化策略 25

2.2概念图谱 25

2.2.1概念形成 25

2.2.2科学概念 27

2.2.3消息 27

2.2.4变量的语义内容 28

2.3建模的本质 29

2.3.1目标与视角 29

2.3.2设计的主要挑战 30

2.4涌现行为 31

2.4.1不可约性 31

2.4.2基础特性和推导特性 31

2.4.3复杂系统 32

2.5如何开展简约设计 33

要点回顾 34

文献注解 35

复习题 36

第3章 全局时间 37

3.1时间和序 37

3.1.1不同（性质）的序 37

3.1.2时钟 38

3.1.3精度和准确度 40

3.1.4时间标准 41

3.2时间测量 42

3.2.1全局时间 42

3.2.2区间测量 43

3.2.3 TT/△优先序 44

3.2.4时间测量的根本局限 45

3.3稠密时间与稀疏时间 45

3.3.1稠密时基 46

3.3.2稀疏时基 46

3.3.3时空划分 47

3.3.4时间的周期性表示 48

3.4内时钟同步 48

3.4.1同步条件 49

3.4.2集中式主控同步 50

3.4.3容错同步算法 51

3.4.4状态校正与速率校正 53

3.5外时钟同步 54

3.5.1外部时间源 54

3.5.2时间网关 55

3.5.3时间格式 56

要点回顾 56

文献注解 57

复习题 57

第4章 实时模型 59

4.1模型概述 59

4.1.1组件和消息 59

4.1.2组件集群 60

4.1.3时域控制与逻辑控制 61

4.1.4事件触发控制与时间触发控制 62

4.2组件状态 63

4.2.1状态的定义 63

4.2.2袖珍计算器案例 63

4.2.3基状态 64

4.2.4数据库组件 66

4.3消息 66

4.3.1消息结构 66

4.3.2事件信息与状态信息 66

4.3.3事件触发消息 67

4.3.4时间触发消息 68

4.4组件接口 68

4.4.1接口特性 69

4.4.2链接接口 70

4.4.3技术独立控制接口 70

4.4.4技术相关调试接口 70

4.4.5本地接口 71

4.5网关组件 71

4.5.1特性失配 72

4.5.2网关组件的LIF与本地接口 72

4.5.3标准化的消息接口 73

4.6链接接口规格 74

4.6.1传输规格 74

4.6.2操作规格 74

4.6.3元级规格 75

4.7组件集成 76

4.7.1可组合性原则 76

4.7.2集成视角 77

4.7.3成体系系统 77

要点回顾 79

文献注解 80

复习题 80

第5章 时域关系 82

5.1实时实体 82

5.1.1控制范围 82

5.1.2离散实时实体和连续实时实体 83

5.2观测 83

5.2.1不带时间戳的观测 83

5.2.2间接观测 84

5.2.3状态观测 84

5.2.4事件观测 84

5.3实时镜像与实时对象 85

5.3.1实时镜像 85

5.3.2实时对象 85

5.4时域精确性 86

5.4.1定义 86

5.4.2实时镜像的分类 88

5.4.3状态估计 89

5.4.4可组合性考虑 90

5.5持久性和幂等性 90

5.5.1持久性 90

5.5.2动作延迟时长 91

5.5.3精确性时间间隔与动作延迟 92

5.5.4幂等性 92

5.6确定性 92

5.6.1确定性的定义 93

5.6.2一致的初始状态 95

5.6.3不确定性设计成分 95

5.6.4重获确定性 96

要点回顾 97

文献注解 98

复习题 98

第6章 可信性 99

6.1基本概念 99

6.1.1故障 100

6.1.2错误 101

6.1.3失效 102

6.2信息安全 104

6.2.1安全信息流 104

6.2.2安全威胁 105

6.2.3加密方法 106

6.2.4网络身份认证 108

6.2.5实时控制数据的保护 109

6.3异常检测 109

6.3.1什么是异常 109

6.3.2失效检测 111

6.3.3错误检测 111

6.4容错 112

6.4.1故障假设 113

6.4.2容错单元 114

6.4.3成员关系服务 116

6.5健壮性 117

6.5.1基本概念 117

6.5.2健壮系统的结构 118

6.6组件重集成 118

6.6.1重集成时间点 119

6.6.2最小化基状态规模 119

6.6.3组件重启 120

要点回顾 120

文献注解 122

复习题 122

第7章 实时通信 123

7.1需求 123

7.1.1实时性需求 123

7.1.2可信性需求 124

7.1.3灵活性需求 126

7.1.4物理结构需求 126

7.2设计问题 127

7.2.1腰际线通信模型 127

7.2.2物理性能限制 128

7.2.3流量控制 129

7.2.4颠簸 130

7.3事件触发通信 132

7.3.1以太网 132

7.3.2控制器局域网络 133

7.3.3用户数据报协议 133

7.4速率受限通信 134

7.4.1令牌协议 134

7.4.2最小时间槽对齐协议ARINC 629 134

7.4.3航电全双工交换以太网 135

7.4.4音视频总线 135

7.5时间触发通信 136

7.5.1时间触发协议 137

7.5.2时间触发以太网 138

7.5.3 FlexRay 139

要点回顾 139

文献注解 140

复习题 140

第8章 功耗和能耗感知 141

8.1功率与能量 141

8.1.1基本概念 141

8.1.2能耗估算 142

8.1.3热效应与可靠性 145

8.2硬件节能技术 147

8.2.1器件工艺尺寸缩减 147

8.2.2低功耗硬件设计 148

8.2.3降低电压和频率 148

8.2.4亚门限逻辑 149

8.3系统体系结构 149

8.3.1技术无关设计 149

8.3.2 Pollack定律 150

8.3.3电源门控 151

8.3.4实时时间与执行时间 152

8.4软件技术 152

8.4.1系统软件 153

8.4.2应用软件 153

8.4.3软件工具 154

8.5能源 154

8.5.1电池 154

8.5.2能量回收 155

要点回顾 155

文献注解 156

复习题 156

第9章 实时操作系统 157

9.1组件间通信 157

9.1.1技术独立接口 157

9.1.2链接接口 158

9.1.3技术相关调试接口 158

9.1.4通用中间件 158

9.2任务管理 158

9.2.1简单任务 159

9.2.2触发器任务 160

9.2.3复杂任务 161

9.3时间的双重作用 161

9.3.1时间作为数据 162

9.3.2时间用于控制 163

9.4任务间交互 163

9.4.1协调的静态调度表 164

9.4.2非阻塞写入协议 164

9.4.3信号量操作 165

9.5进程输入与输出 165

9.5.1模拟量输入与输出 166

9.5.2数字量输入与输出 166

9.5.3中断 167

9.5.4容错的作动器 168

9.5.5智能仪表 169

9.5.6物理安装 170

9.6协商协议 170

9.6.1原始数据、测量数据与议定数据 170

9.6.2语法层次协商 170

9.6.3语义层次协商 171

9.7错误检测 171

9.7.1任务执行时间监视 171

9.7.2中断监视 171

9.7.3两次执行任务 172

9.7.4看门狗 172

要点回顾 172

文献注解 173

复习题 173

第10章 实时调度 174

10.1调度问题 174

10.1.1调度算法的分类 174

10.1.2可调度性测试 175

10.1.3对手论证 176

10.2最坏执行时间 177

10.2.1简单任务的WCET 177

10.2.2复杂任务的WCET 179

10.2.3全时算法 179

10.2.4应用现状分析 180

10.3静态调度 180

10.3.1基于搜索的静态调度 181

10.3.2增加静态调度的灵活性 182

10.4动态调度 183

10.4.1独立任务调度 183

10.4.2非独立任务调度 184

10.5其他调度策略 186

10.5.1分布式系统中的调度 186

10.5.2反馈调度 186

要点回顾 187

文献注解 188

复习题 188

第11章 系统设计 189

11.1系统设计概述 189

11.1.1设计过程 189

11.1.2约束条件的作用 190

11.1.3系统设计与软件设计 191

11.2设计阶段 192

11.2.1目标分析阶段 192

11.2.2需求捕获阶段 193

11.2.3体系结构设计阶段 193

11.2.4组件设计阶段 193

11.3设计风格 194

11.3.1基于模型的设计 194

11.3.2基于组件的设计 195

11.3.3体系结构设计语言 195

11.3.4对体系结构分解的检查 196

11.4安全关键系统的设计 198

11.4.1什么是安全性 198

11.4.2安全性分析 200

11.4.3安全案例 202

11.4.4安全标准 204

11.5多样性设计 205

11.5.1多版本软件 206

11.5.2失效安全系统案例 206

11.5.3多级系统 207

11.6可维护性设计 208

11.6.1维护成本 208

11.6.2维护策略 208

11.6.3软件维护 209

要点回顾 210

文献注解 211

复习题 211

第12章 系统确认 212

12.1确认与验证 212

12.2测试面临的挑战 213

12.2.1可测试性设计 214

12.2.2测试数据的选择 214

12.2.3测试预言 215

12.2.4系统演化 216

12.3基于组件系统的测试 216

12.3.1组件提供者 217

12.3.2组件使用者 217

12.3.3组件通信 217

12.4形式化方法 218

12.4.1形式化方法的实际使用 218

12.4.2形式化方法的分类 218

12.4.3形式化方法的益处 219

12.4.4模型检测 219

12.5故障注入 220

12.5.1软件实现的故障注入 220

12.5.2物理故障注入 220

12.5.3传感器和作动器失效 221

要点回顾 222

文献注解 222

复习题 222

第13章 物联网 224

13.1物联网的愿景 224

13.2物联网的发展动力 225

13.2.1统一的访问 225

13.2.2物流 225

13.2.3节能 225

13.2.4物理空间信息安全与功能安全 226

13.2.5工业 226

13.2.6医学 226

13.2.7生活方式 227

13.3物联网的技术问题 227

13.3.1集成到互联网 227

13.3.2命名和标识 227

13.3.3近场通信 228

13.3.4物联网设备能力与云计算 229

13.3.5自治组件 229

13.4 RFID技术 230

13.4.1概述 230

13.4.2电子产品代码 230

13.4.3 RFID标签 231

13.4.4 RFID阅读器 231

13.4.5 RFID的信息安全性 231

13.5无线传感器网络 233

要点回顾 234

文献注解 235

复习题 235

第14章 时间触发体系结构 236

14.1 TTA的历史 236

14.1.1 MARS项目 236

14.1.2工业TTA原型 237

14.1.3 GENESYS项目 237

14.2体系结构风格 238

14.2.1复杂性管理 238

14.2.2面向组件 238

14.2.3一致的通信机制 239

14.2.4可信性 240

14.2.5时间感知体系结构 240

14.3 TTA服务 241

14.3.1基于组件的服务 241

14.3.2核心系统服务 241

14.3.3可选的系统服务 242

14.4时间触发MPSoC 243

要点回顾 244

文献注解 245

复习题 245

缩略词 246

术语定义 248

参考文献 257