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第1章 概述 1

1.1实时系统的定义 1

1.1.1实时 1

1.1.2实时系统 2

1.1.3实时计算机系统 3

1.2实时系统的功能要求 4

1.2.1数据收集 4

1.2.2数字控制 6

1.2.3人机互动 6

1.3实时系统的时间要求 6

1.3.1控制回路的时间要求 7

1.3.2延迟抖动最小化 10

1.3.3错误检测延迟最小化 10

1.4可依赖性要求 10

1.4.1可靠性 11

1.4.2可维护性 11

1.4.3有效性 11

1.4.4安全性 12

1.4.5防护性 13

1.5实时系统的分类方法 13

1.5.1根据应用特性分类 13

1.5.2根据计算机应用的设计和实现分类 16

1.6实时系统的应用前景 17

1.6.1工厂自动化系统 17

1.6.2嵌入式实时系统 18

1.6.3多媒体系统 21

习题 22

第2章 实时系统模型化 24

2.1合理的抽象 24

2.1.1抽象的定义 24

2.1.2模型化的目的 25

2.1.3假设覆盖率 25

2.1.4相关属性 26

2.1.5无关细节 28

2.1.6系统架构 29

2.2任务 29

2.2.1任务的分类 30

2.2.2任务的逻辑控制与时间控制 30

2.2.3任务的事件触发与时间触发 33

2.2.4任务的最坏情况执行时间 34

2.3状态 38

2.3.1状态的定义 38

2.3.2基态 40

2.3.3数据库组件 41

2.4报文 41

2.4.1报文的概念 41

2.4.2报文结构 42

2.4.3事件信息与状态信息 43

2.4.4事件触发报文 44

2.4.5时间触发报文 44

2.5节点 45

2.5.1接口特征 45

2.5.2链接接口 47

2.5.3本地接口 47

2.5.4技术独立接口 48

2.5.5技术依赖接口 48

2.5.6运行接口 48

2.5.7网关 50

2.6链接接口规范 51

2.6.1报文传输规范 51

2.6.2报文操作规范 52

2.6.3报文元级规范 53

2.7节点集成 54

2.7.1可组性原则 54

2.7.2分级集成 55

2.7.3系统的系统 56

习题 58

第3章 全局时钟同步 61

3.1时间与顺序 61

3.1.1顺序及其分类 61

3.1.2时钟 63

3.1.3时钟精密度与时钟准确度 65

3.1.4时间标准 66

3.2时间测量 67

3.2.1全局时间 68

3.2.2时间间隔测量 69

3.2.3 π/△-领先 70

3.2.4时间测量的基本限制 71

3.3密集时基与稀疏时基 71

3.3.1密集时基 72

3.3.2稀疏时基 72

3.3.3时空点阵 73

3.3.4时间的循环表示形式 74

3.4内部时钟同步 74

3.4.1同步条件 75

3.4.2中央主节点同步算法 76

3.4.3分布式容错同步算法 77

3.4.4状态修正与速率修正 81

3.5外部时钟同步 82

3.5.1运行原理 82

3.5.2时间格式 83

3.5.3时间网关 84

3.6 FlexRay系统的分布式时钟同步 84

3.6.1时间表示形式 84

3.6.2同步进程 85

3.6.3时间偏差测量 87

3.6.4修正值计算 87

3.6.5时钟修正 89

习题 90

第4章 实时实体与映像 92

4.1实时实体 92

4.1.1实时实体的控制范围 92

4.1.2离散与连续实时实体 93

4.1.3实时实体的观测 94

4.2实时映像与实时对象 95

4.2.1实时映像 96

4.2.2实时对象 96

4.2.3时间准确性 96

4.2.4实时映像的分类 99

4.2.5状态估计 101

4.3持久性和幂等性 102

4.3.1持久性 102

4.3.2幂等性 104

4.4确定性 105

4.4.1确定性的定义 105

4.4.2初始状态一致 107

4.4.3非确定性设计结构 107

4.4.4确定性恢复 108

4.5信号的时间和约定 109

4.5.1时间的双重作用 110

4.5.2数据及其语法约定和语义约定 111

4.6过程I/O 113

4.6.1模拟I/O 113

4.6.2数字I/O 114

4.6.3探询采样机制 114

4.6.4中断采样机制 116

4.6.5容错执行器 118

4.6.6智能仪表 120

4.6.7紧凑组件 120

习题 121

第5章 容错 123

5.1故障、错误、失效和异常 123

5.1.1故障 123

5.1.2错误 125

5.1.3失效 126

5.1.4异常 128

5.1.5系统容错与具体应用容错 128

5.2错误、失效与异常检测 129

5.2.1错误检测 129

5.2.2失效检测 131

5.2.3异常检测 131

5.3失效单元 132

5.3.1故障假设 133

5.3.2节点作为失效单元 135

5.4容错单元 137

5.4.1故障静默FCU 137

5.4.2三模冗余 138

5.4.3拜占庭弹性容错单元 140

5.4.4成员资格服务 141

5.4.5鲁棒系统结构 142

5.5设计多样性 143

5.5.1软件版本多样化 143

5.5.2系统层次化 145

5.6修复节点的恢复 146

5.6.1恢复点 146

5.6.2基态最小化 147

5.6.3节点重启 147

习题 148

第6章 实时通信 150

6.1实时通信的要求 150

6.1.1时效性 150

6.1.2通信可依赖性 151

6.1.3灵活性 153

6.1.4实时通信系统的物理结构 153

6.2实时通信设计问题 154

6.2.1细腰通信模型 155

6.2.2物理性能限制 156

6.2.3流量控制 158

6.2.4猛烈摆动 160

6.3事件触发通信 161

6.3.1以太网 162

6.3.2控制器局域网 167

6.3.3用户数据报协议 169

6.4速率受限通信 171

6.4.1令牌总线协议 171

6.4.2微时隙协议ARINC 629 180

6.4.3航空电子全双工交换式以太网 181

6.4.4音频/视频总线 182

6.5时间触发通信 183

6.5.1 FlexRay 184

6.5.2时间触发协议 190

6.5.3时间触发以太网 192

6.6物理层 192

6.6.1异步/同步通信的特征 193

6.6.2数字数据的传输编码 193

6.6.3特征元形状 194

6.6.4网络拓扑 194

习题 195

第7章 实时操作系统 197

7.1循环调度程序与抢占式多任务操作系统的差异 198

7.1.1简单循环调度及其特点 198

7.1.2抢占式调度的概念及其特点 202

7.1.3使用实时操作系统的原因 203

7.2实时操作系统的基本概念 204

7.2.1实时操作系统的定义 204

7.2.2实时操作系统任务及其状态 205

7.2.3实时操作系统的任务控制块 207

7.2.4任务到任务的上下文切换 208

7.2.5可重入代码 209

7.2.6资源与任务同步 210

7.3任务管理 210

7.3.1时间触发系统的任务管理 210

7.3.2事件触发系统的任务管理 211

7.4同步、互斥与通信 212

7.4.1任务间同步与通信 213

7.4.2节点间通信 215

7.5中断与时间管理 217

7.5.1中断处理 217

7.5.2时间管理 219

7.6错误检测方法 220

7.7实时操作系统实例——OSEK 221

7.7.1 OSEK OS 222

7.7.2 OSEK实现语言 228

7.7.3 AUTOSAR OS对OSEK OS的扩展 231

7.7.4 OSEK COM 231

7.7.5 OSEK NM 234

习题 235

第8章 实时调度 237

8.1实时调度问题 237

8.1.1实时调度算法的分类 237

8.1.2可调度性分析 240

8.2静态调度 246

8.2.1时间在静态调度中的作用 247

8.2.2搜索树在静态调度中的应用 247

8.2.3静态调度表灵活性的增强方法 248

8.3动态调度 250

8.3.1独立任务的调度 250

8.3.2非独立任务的调度 252

8.4其他调度策略 256

8.4.1分布式系统的调度问题 257

8.4.2反馈调度 257

习题 258

第9章 系统设计 260

9.1系统设计过程 260

9.1.1设计问题 261

9.1.2系统设计步骤 263

9.2系统设计形式 265

9.2.1模型化设计 265

9.2.2节点化设计 266

9.2.3架构设计语言 267

9.2.4分解测试 268

9.2.5典型开发流程 269

9.3安全关键性系统设计 271

9.3.1安全性的定义 271

9.3.2安全性分析 272

9.3.3安全案例 273

9.3.4安全标准 276

9.4系统安全性分析方法 278

9.4.1故障树分析法 278

9.4.2失效模式及影响分析 286

9.4.3可依赖性的模型化 287

9.5可维护性设计 287

9.5.1维护成本 288

9.5.2维护策略 288

9.5.3软件维护 289

9.6实时架构项目 290

9.6.1SPRING系统 290

9.6.2容错多机架构 291

9.6.3时间触发架构 292

习题 297

第10章 系统评估 299

10.1测试 299

10.2节点化系统测试 304

10.3正式方法 306

10.4故障注入技术 308

10.4.1物理故障注入 308

10.4.2软件故障注入 311

10.4.3传感器和执行器失效 312

习题 312

附录A缩写词 313

附录B故障树结构单元与符号 317

参考文献 319