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出版者:清华大学出版社

作者:李方敏

出品人:

页数:395

译者:

出版时间:2004-1

价格:36.00元

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isbn号码:9787302081272

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嵌入式系统领域的另一部里程碑：深入解析实时操作系统的内核与应用 书名：嵌入式实时系统核心技术与实践指南 作者：[虚构的资深专家姓名，如：李明，王强] 出版社：[虚构的专业技术出版社名称，如：华章科技出版社] --- 内容提要 本书旨在为广大嵌入式系统工程师、操作系统内核开发者以及高级应用层程序员提供一本全面、深入且极具实践指导意义的参考手册。不同于专注于某一特定商业实时操作系统（RTOS）平台的手册，本书以通用的实时操作系统理论、设计哲学和核心机制为立足点，通过对抽象模型的剖析和对多个开源/主流内核架构的对比分析，构建起一套完整的嵌入式实时系统知识体系。 全书内容聚焦于实时性保证、资源管理、并发控制、中断处理、内存布局优化以及系统级性能调优等关键领域。我们摒弃了对特定商业授权和API的过度依赖，转而深入挖掘RTOS得以高效运行的底层原理，确保读者掌握的知识具备高度的迁移性和前瞻性。 读者对象 1. 嵌入式软件架构师与系统工程师： 需要设计和评估不同RTOS选型，理解复杂系统实时性约束的专业人士。 2. 操作系统内核开发者： 从事微内核、宏内核或混合内核开发，需要深入理解调度器、IPC机制和内存管理的工程师。 3. 高级驱动程序与中间件开发者： 负责编写对性能和确定性要求极高的驱动、通信栈或中间件的程序员。 4. 计算机科学与工程专业高年级本科生及研究生： 寻求超越教科书范畴，直接面向工业级实时应用实践的深度学习者。 核心章节详解 全书共分为六大部分，近三十个章节，内容组织严谨，层层递进。 第一部分：实时系统理论基础与设计范式（The Foundational Theory） 本部分为全书的理论基石，旨在统一读者对“实时性”的理解，并建立严谨的分析框架。 第1章：实时性的精确定义与度量： 深入剖析硬实时、软实时与非实时的本质区别。引入抖动（Jitter）、最坏执行时间（WCET）和响应时间分析（RTA）的概念。 第2章：任务模型与抽象： 讨论任务的生命周期模型、同步表示法（如UML活动图在实时系统中的应用）以及如何从需求中提炼出精确的任务集。 第3章：经典的调度算法深度解析： 不仅介绍速率单调（RMS）和最早截止时间优先（EDF），更重点分析其在多核、非抢占和时间触发（TTCAN/FlexRay相关）环境下的变体与局限性。强调如何量化调度算法的裕度。 第二部分：内核核心机制：调度与同步（The Kernel Core） 这是理解RTOS“心跳”的关键部分，详细解构调度器和并发控制原语的实现细节。 第4章：抢占式多任务调度器实现： 详尽剖析上下文切换（Context Switching）的开销分析、寄存器保存策略以及上下文切换钩子函数的最佳实践。讨论原子操作（Atomic Operations）如何避免硬件干扰。 第5章：中断处理与延迟控制： 深入探讨中断服务例程（ISR）的设计哲学——“快进快出”。分析中断延迟的各个组成部分（中断延迟、调度延迟、中断恢复延迟），并提出降低ISR服务时间的架构优化建议。 第6章：进程间通信（IPC）机制的性能权衡： 对信号量（Semaphores）、互斥锁（Mutexes）和消息队列（Message Queues）进行深入的性能分析。重点比较优先级继承（Priority Inheritance）与优先级天花板（Priority Ceiling）协议在避免优先级反转（Priority Inversion）方面的实现细节和性能影响。 第7章：时间管理与定时器服务： 解析系统时钟的实现（如滴答中断）、高精度定时器的校准方法以及软定时器（Software Timers）在处理非周期性事件时的准确性问题。 第三部分：内存管理与资源分配的挑战（Memory Management） 实时系统的内存管理必须兼顾效率与确定性，本书将此视为一项关键挑战进行探讨。 第8章：静态内存分配策略： 详细介绍固定块分配器、池化分配（Pool Allocation）的优势与缺陷，并阐述其在对内存碎片敏感场景下的应用。 第9章：动态内存管理与实时性： 分析标准`malloc`/`free`在实时系统中的不可预测性。深入探讨如Buddy System或Slab分配器在内核层面的优化方法，以及如何通过内存分区策略隔离关键任务的内存需求。 第10章：零拷贝技术与DMA集成： 讨论如何在驱动和应用层之间高效、安全地传输大数据块，避免数据在内核和用户空间之间不必要的复制，从而减少延迟。 第四部分：系统级I/O与驱动模型（System I/O and Driver Model） 本部分将视角从内核内部转向系统边界，探讨如何设计高效、可重入的设备驱动。 第11章：驱动模型的抽象与分层： 分析总线抽象层（Bus Abstraction Layer）的设计原则，以及如何为不同的硬件接口（SPI, I2C, UART, Ethernet）构建统一的异步操作接口。 第12章：异步I/O与事件驱动模型： 探讨基于事件/回调机制的I/O处理流程，以及如何使用内核提供的机制（如Completion Ports的RTOS等价物）来高效地通知等待中的任务。 第13章：网络栈的实时性优化： 分析传统TCP/IP协议栈的延迟瓶颈，并探讨在嵌入式环境中如何裁剪协议栈，或使用专用的轻量级协议（如LwIP的特定配置）来满足实时数据传输要求。 第五部分：多核与异构计算的实时挑战（Multi-Core & Heterogeneity） 随着芯片集成度的提高，多核和异构架构已成为主流。本部分聚焦于如何在这些复杂环境中维护实时保证。 第14章：多核系统的同步难题： 探讨跨核缓存一致性问题、锁的粒度选择以及无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）的设计模式（如Ring Buffer）。 第15章：多核调度策略： 比较全局调度（Global Scheduling）和分区调度（Partitioned Scheduling）的优劣。重点分析如何为关键任务分配专用的CPU核，以实现“硬隔离”。 第16章：异构架构下的任务卸载： 讨论如何将非时间敏感或计算密集型任务安全地卸载到通用处理器（如ARM Cortex-A系列）或加速器（如GPU/DSP），同时确保主控实时核的性能不受影响。 第六部分：可靠性、调试与性能分析（Reliability and Profiling） 构建出色的实时系统，必须具备强大的调试和验证能力。 第17章：系统级调试与可观测性： 介绍硬件调试工具（JTAG/SWD）与软件调试（内核钩子、Trace Buffer）的有效结合。重点讨论如何设计嵌入式系统的日志与跟踪机制，使其对系统性能影响最小化。 第18章：系统性能分析与调优： 深入讲解如何使用周期性分析工具（Periodic Profiling）来识别任务竞争点和不必要的阻塞。阐述“瓶颈分析”在实时系统中的特殊应用。 第19章：系统鲁棒性与容错设计： 讨论故障检测、恢复机制的实现。包括看门狗（Watchdog）的合理配置、任务自检与重启策略，以及系统级内存泄漏的检测方法。 本书特色 1. 原理驱动，而非API罗列： 本书专注于解释“为什么”和“如何设计”，而非仅仅介绍“如何使用”。掌握本书内容，读者可快速适应任何新的、遵循经典RTOS设计原则的内核环境。 2. 严格的数学与工程结合： 理论分析部分配以清晰的数学模型和复杂度分析，确保结论的严谨性。 3. 跨越平台鸿沟： 内容涵盖了从微控制器（MCU）到嵌入式多核SoC的广泛场景，知识体系具有极强的通用价值。 4. 实战案例解析： 穿插了多个基于伪代码（Pseudocode）和架构图的复杂场景解决方案，便于读者将理论立即转化为实践。 《嵌入式实时系统核心技术与实践指南》致力于成为下一代嵌入式系统开发者的必备工具书，帮助他们构建出真正可靠、高性能、确定性强的实时应用。

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说实话，一开始我抱着一种近乎怀疑的态度翻开这本书的，毕竟市面上关于RTOS的“高级”书籍，十之八九都只是对API的罗列和简单功能的堆砌，真正能触及到“设计哲学”层面的凤毛麟角。然而，这本书在对VxWorks I/O子系统的解析上，彻底颠覆了我的固有认知。它没有简单地停留在文件系统或设备驱动的接口介绍上，而是深入探讨了I/O操作如何在严格的实时约束下被高效地组织起来。作者用一种近乎“解剖”的笔触，逐层剥开了VxWorkD通信架构的内部逻辑，从消息队列的同步机制到信号量的原子操作，每一步的延迟分析都辅以严谨的数学模型和实际的性能基准测试数据。我尤其欣赏其中关于网络栈优化的章节，它展示了如何针对高吞吐量、低延迟的网络应用场景，对BSD Socket层进行针对性的修改和裁剪，以规避不必要的内核态数据拷贝，这是教科书里绝对学不到的“黑科技”。阅读这些内容时，我时常需要配合着目标板上的调试器（如Lauterbach TRACE32）来进行同步验证，而书中的示例代码精准地引导了我如何利用硬件断点和指令跟踪来观察内核关键函数的执行流程。这本书是为那些不满足于“能跑就行”的工程师准备的，它挑战你用更高效、更可靠的方式去构建系统，是实现工程卓越的路线图。

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这本书的语言风格和叙事节奏，与那些刻板的计算机科学著作形成了鲜明的对比。它更像是一位资深架构师在深夜里与一位渴望进步的学徒进行的深度对话，坦诚而又充满洞察力。它在描述同步与互斥机制时，采用了非常形象的比喻，将死锁的形成过程比作一场复杂的资源博弈，使得那些晦涩的并发理论瞬间变得直观易懂。更令人惊艳的是，作者似乎预判到了读者在学习过程中可能遇到的每一个陷阱，并提前设置了“避雷针”。例如，在讲解中断处理的上半部（Top Half）和下半部（Bottom Half）分离设计时，它不仅清晰解释了为什么要这样做，还详细对比了不同下半部实现方式（如软中断与工作队列）在不同负载下的性能权衡，并且给出了何时选择何种方案的明确建议。这种前瞻性的指导价值，让这本书的实用性大大超越了一般的参考资料。读完关于任务间通信（IPC）的章节，我立刻回去重构了我们项目中一个长期存在的通信瓶颈，仅仅是根据书中推荐的参数调整，系统的响应时间就获得了显著改善。它不是在教你写代码，它是在教你理解为什么这个代码需要这样写，这种深层次的理解才是技术成长的关键。

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这本书的出版简直是给嵌入式系统开发领域投下了一枚重磅炸弹，尤其是对于那些深耕于实时操作系统（RTOS）底层架构、渴望突破传统应用层束缚的技术人员来说，它无疑是一份无可替代的宝典。我花了整整一个周末沉浸其中，那种感觉就像是拿到了一把能够开启操作系统内核秘密的万能钥匙。作者对VxWorks的内存管理机制——从页表的高效查找、TLB的维护策略，到物理内存池与虚拟地址空间的精妙映射——进行了令人拍案叫绝的深度剖析。书中对任务调度器源码级别的解读，远超出了官方文档的抽象描述，它详尽地展示了Tornado/Workbench环境下的上下文切换是如何通过寄存器级的操作实现的，以及优先级继承和优先级天花板协议在解决复杂的共享资源互斥问题时的实际运行轨迹。特别值得称赞的是，它并没有止步于理论阐述，而是穿插了大量基于实际项目经验提炼出的性能调优技巧，比如如何通过定制化的调度策略来最小化中断延迟抖动（Jitter），以及如何针对特定硬件架构（比如PowerPC或ARM Cortex-A系列）优化缓存一致性问题。这本书不仅仅是手册的替代品，它更像是作者多年实战经验的结晶，将那些原本隐藏在编译宏和汇编指令深处的奥秘，以清晰、结构化的方式呈现在我们面前。它要求读者必须对C语言有极高的熟练度，并且对计算机体系结构有扎实的理解，但一旦跨越了这些门槛，你对实时系统的掌控力将提升到一个全新的维度。

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这本书的后半部分，着重探讨了VxWorks在多核及异构系统中的应用与挑战，这无疑是当前嵌入式领域最前沿也最棘手的问题之一。作者没有回避多核编程的复杂性，反而以一种非常务实的态度，分析了SMP（Symmetric Multiprocessing）模式下内核同步的开销和缓存一致性协议对性能的影响。书中对锁的粒度划分、细粒度同步原语的使用，以及如何合理分配实时和非实时任务到不同的CPU核心上进行了深入的案例分析。我发现它在处理多核间的I/O调度和中断亲和性（Affinity）配置方面，提供的解决方案比官方文档的示例要灵活和高效得多。例如，书中提出了一种基于硬件DMA引擎的零拷贝通信机制，用以优化核间数据传输，这极大地减轻了主CPU的负担。总而言之，这本书不是那种读完一遍就能束之高阁的入门读物，它更像是一本需要时常翻阅的“工具箱”和“思维导图”。每当我在设计一个复杂的实时并发系统时，我都会重新审视书中的相关章节，总能从中汲取新的灵感，解决旧的难题。它真正体现了“高级”二字的重量，即对系统底层运作原理的透彻理解和工程实践的完美结合。

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对于需要进行严格认证（如DO-178B/C, IEC 61508）的航空电子或工业控制领域的工程师而言，这本书提供了极具价值的参考框架。它将VxWorks的特定实现与通用实时系统设计原则紧密结合，展示了如何构建一个可证明其行为确定性的系统。书中关于错误检测和恢复（Fault Tolerance）的讨论尤为深刻，它不仅限于标准的看门狗定时器（WDT）应用，而是深入到了如何设计应用层的容错状态机，以及如何利用内核提供的调试钩子（Hooks）来构造非侵入式的健康监测机制。特别是对于内存泄漏的追踪和预防，作者提供了一套结合了静态分析工具和运行时内存检查的综合方法论，这对于长期运行的嵌入式设备至关重要。书中对系统调用路径的追踪分析，细致到了内核栈帧的布局层面，这使得我们能够准确地评估任何一个系统调用可能引入的最大执行时间预算。这种对安全性和可维护性的极致追求，使得这本书成为了构建高可靠性系统的必备工具箱。它不是让你快速入门，而是让你打下能应对最严苛要求的坚实基础。

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手册翻译。

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