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出版者:Prentice Hall

作者:Rolv Braek

出品人:

页数:416

译者:

出版时间:1993-04

价格:USD 48.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780130344489

丛书系列:

图书标签:

• 实时系统
• 嵌入式系统
• 软件工程
• 计算机工程
• 操作系统
• 并发编程
• 系统设计
• 可靠性
• 性能分析
• 硬件软件协同设计

《工程实时系统：设计、开发与部署的深度解析》 本书并非关于“工程实时系统”这本书本身，而是深入探讨“工程实时系统”这一主题，旨在为读者提供一个关于如何设计、开发和部署高质量、高可靠性实时系统的全面而深入的指导。我们所关注的“工程实时系统”是指那些对时间精度有着严格要求的计算系统，其正确性不仅取决于计算结果的逻辑正确性，更取决于其在规定时间内输出结果的能力。这类系统广泛应用于航空航天、汽车电子、工业自动化、医疗设备、通信网络、金融交易等众多关键领域，其失效可能导致严重的经济损失甚至生命危险。 本书将带领读者穿越实时系统工程的每一个重要环节，从概念的萌芽到系统的最终部署。我们并非照搬某一本特定书籍的章节结构，而是以解决实际工程问题为导向，提炼出实时系统设计的核心原则、关键技术和最佳实践。 第一部分：实时系统基础理论与设计哲学 在深入具体的技术之前，理解实时系统的本质和核心挑战至关重要。本部分将构建坚实的理论基础，为后续的技术探讨铺平道路。 实时性的定义与分类： 我们将详细阐述硬实时、软实时和固有时实等不同实时性等级的概念，以及它们在实际应用中的意义和区别。通过大量真实案例分析，说明不同实时性需求对系统设计的影响。例如，飞控系统的执行机构必须在微秒级别响应指令，否则将导致灾难性后果，这属于硬实时范畴；而视频会议系统对音视频同步的要求相对宽松，属于软实时范畴。 实时系统的时间模型： 时间是实时系统的核心约束。我们将深入探讨诸如截止时间（deadline）、周期（period）、执行时间（execution time）、响应时间（response time）、抖动（jitter）等关键时间参数，并介绍如何对它们进行建模和分析。这包括静态时间分析（STA）和动态时间分析（DTA）的技术，以及它们在不同场景下的适用性。 任务模型与调度理论： 实时系统通常由多个并发执行的任务组成。本部分将详细介绍常见的实时任务模型，如周期任务、偶发任务、混合任务等。在此基础上，我们将系统地梳理和分析各种经典的实时任务调度算法，包括： 静态优先级调度： 如Rate Monotonic（RM）调度，分析其最优性条件和局限性。 动态优先级调度： 如Earliest Deadline First（EDF）调度，探讨其在理论上的最优性以及实际实现中的挑战。 混合调度策略： 介绍如何结合不同算法的优势，例如在复杂系统中引入优先级倒置（priority inversion）的解决方案（如优先级继承、优先级天花板协议）。 考虑中断与同步机制： 实时系统的性能很大程度上取决于对中断和任务间同步的有效管理。我们将深入探讨中断服务例程（ISR）的设计原则、中断延迟分析，以及信号量、互斥锁、消息队列等同步机制在避免竞态条件和死锁中的应用。 系统可靠性与容错设计： 实时系统往往运行在关键环境中，可靠性是生命线。我们将探讨提高系统可靠性的各种策略，包括： 冗余设计： 硬件冗余（如双机热备、N-模冗余）与软件冗余（如差错检测与纠正码、状态恢复）。 失效模式分析（FMEA）： 如何系统地识别潜在的失效模式及其影响。 故障检测与隔离： 设计机制以实时地发现故障并将其隔离，防止故障蔓延。 失效安全（Fail-Safe）与失效透明（Fail-Silent）设计： 探讨在发生故障时，系统应采取何种安全策略。 资源管理与功耗优化： 在资源受限的嵌入式实时系统中，高效的资源管理和功耗优化至关重要。我们将讨论CPU调度、内存管理、I/O访问等资源的使用策略，以及如何通过动态电压频率调整（DVFS）、睡眠模式等技术降低功耗。 第二部分：实时系统开发的关键技术与实践 在理解了理论基础后，我们将转向实际开发过程中的核心技术和工程实践。 选择与设计实时操作系统（RTOS）： RTOS是构建实时系统的基石。我们将深入分析RTOS的核心组件，如任务管理、内存管理、中断处理、IPC（进程间通信）等。通过对比不同RTOS的特点，如FreeRTOS、VxWorks、RTLinux、QNX等，指导读者根据项目需求选择最合适的RTOS。此外，还将探讨如何对RTOS进行裁剪和优化，以满足特定硬件和性能要求。 高效的并发编程技术： 实时系统中的并发编程是难点也是重点。我们将介绍多种高效且安全的并发编程模式，包括： 基于消息传递的并发： Actor模型、CSP（Communicating Sequential Processes）等。 共享内存并发（谨慎使用）： 强调使用互斥量、读写锁等机制来保护共享数据。 事件驱动与状态机设计： 在处理大量异步事件的系统中，事件驱动模型和状态机是一种非常有效的组织程序逻辑的方式。 实时通信协议与网络： 现代实时系统往往涉及分布式通信。我们将深入研究各种实时通信协议，包括： 传统工业协议： 如CAN、Modbus、Profibus等，分析其在实时性、可靠性上的特点。 现代实时以太网： 如Ethernet/IP、Profinet、TSN（Time-Sensitive Networking）等，探讨其如何实现确定性的网络通信。 消息队列遥测传输（MQTT）： 在物联网（IoT）实时应用中的应用。 其他实时传输协议： 如RTP（Real-time Transport Protocol）在多媒体实时传输中的作用。 网络时钟同步： 如NTP、PTP（Precision Time Protocol）在确保分布式系统时间一致性中的重要性。 实时数据采集与处理： 实时系统往往需要快速准确地采集和处理来自传感器的数据。我们将探讨： 数据采集硬件接口： ADC、DAC、SPI、I2C等接口的设计与使用。 传感器融合技术： 如何整合来自多个传感器的数据以获得更准确的系统状态估计。 数据滤波与信号处理： 如卡尔曼滤波、低通/高通滤波等在数据预处理中的应用。 流处理技术： 如何在数据产生的同时进行分析和响应。 高性能计算与优化： 实时系统对性能有着极高的要求。我们将深入探讨各种性能优化技术： 低级语言与汇编优化： 在关键路径上使用C/C++甚至汇编语言进行代码优化。 内存访问优化： 缓存一致性、内存对齐、数据局部性等。 指令集并行（ILP）与多核处理器利用： 如何充分发挥现代处理器的并行计算能力。 算法优化： 选择或设计更高效的算法。 工具链优化： 编译器选项、链接器脚本的调整。 第三部分：实时系统的验证、测试与部署 系统的正确性不应仅凭猜测，而应通过严格的验证与测试来保证。 实时系统建模与仿真： 在开发早期，通过仿真来验证设计的可行性和性能至关重要。我们将介绍： 形式化方法： 如模型检查、定理证明在验证系统正确性中的应用。 离散事件仿真： 使用仿真工具对系统行为进行建模和预测。 硬件在环（HIL）仿真： 在开发后期，将部分硬件替换为仿真模型，以在接近真实环境的条件下进行测试。 实时系统测试策略： 单元测试、集成测试与系统测试： 传统的软件测试方法在实时系统中的应用和特殊考量。 压力测试与边界测试： 模拟极端负载和边界条件，以发现潜在问题。 性能测试与基准测试： 测量系统的响应时间、吞吐量等关键性能指标。 覆盖率分析： 确保测试用例能够覆盖到尽可能多的代码路径和功能。 故障注入测试： 主动引入故障，测试系统的容错和恢复能力。 静态代码分析： 使用工具检测潜在的编码缺陷和不符合规范的代码。 调试实时系统： 实时系统的调试尤其具有挑战性，因为时间和并发性可能导致问题难以复现。我们将介绍： 逻辑分析仪与示波器： 对硬件信号进行实时监测。 JTAG/SWD调试器： 对嵌入式处理器进行低级调试。 RTOS感知调试工具： 能够理解RTOS内部状态的调试器。 日志记录与追踪： 设计有效的日志记录机制，帮助事后分析。 安全关键系统的认证与合规： 针对某些领域（如航空、医疗），实时系统需要满足严格的安全标准和法规要求。我们将简要介绍相关的认证流程和标准，如DO-178C（航空软件）、ISO 26262（汽车功能安全）等。 部署与维护： 固件升级与现场更新： 如何安全可靠地对已部署的实时系统进行更新。 远程监控与诊断： 设计远程监控机制，以便及时发现和诊断潜在问题。 系统生命周期管理： 考虑系统的长期维护和演进。 本书的独特之处： 本书并非仅仅罗列理论知识，而是强调工程实践。我们将通过丰富的案例分析，将抽象的概念与具体的应用场景相结合。每个章节都力求提供可操作的建议和实用的技巧，帮助读者在实际项目中规避常见的陷阱。我们关注的不仅仅是“是什么”，更是“如何做”。 目标读者： 本书适用于所有从事或有志于从事实时系统开发、设计、测试和维护的工程师、研究人员和技术爱好者。包括但不限于：嵌入式系统工程师、软件工程师、航空航天工程师、汽车电子工程师、工业自动化工程师、通信系统工程师，以及对实时计算感兴趣的计算机科学和工程领域的学生。 通过阅读本书，您将能够： 深刻理解实时系统的核心挑战与设计哲学。 掌握选择和配置RTOS的关键技能。 学会设计健壮、高效的并发实时程序。 了解实时通信协议的原理与应用。 掌握实时系统的测试和调试方法。 建立起构建可靠、高性能实时系统的工程思维。 我们相信，通过对本书内容的深入学习和实践，您将能够自信地应对复杂实时系统的设计与开发挑战，并最终交付出满足最严苛时间要求的工程系统。

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这本书给我最大的感受是其对“工程实践”的执着追求。很多理论书籍在谈完“是什么”之后就戛然而止了，留给读者自己去摸索“怎么做”。但这本却完全不同，它似乎预料到了读者在实际操作中可能遇到的每一个“坑”。在讲解队列和消息传递机制时，作者并未只是罗列标准库的API，而是深入探讨了不同消息传递模型（如信号量、事件标志、消息队列）在延迟、吞吐量和资源占用上的权衡。更值得称道的是，书中有一整章是关于“故障注入与恢复策略”的，这在很多同类书籍中是罕见的。它教会我们如何主动地去破坏系统，从而发现其潜在的脆弱点，并设计出优雅的降级或重启机制。读完这些章节后，我感觉自己对构建健壮、可维护的实时软件，有了一种脱胎换骨的认识，这不仅仅是学会了编写代码，更是学会了如何“设计生命周期”。

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这本书的深度和广度都超出了我的预期。我原本以为它会聚焦于某个特定的嵌入式平台或操作系统，但令人惊喜的是，它提供了一个更为宏大且普适的视角。作者没有被单一技术栈所束缚，而是构建了一个关于“实时性”的通用理论框架。特别是关于系统建模和验证的部分，引入了形式化方法的概念，这对于追求高可靠性和安全性（如航空航天或医疗设备）的工程师来说，简直是如获至宝。我特别欣赏作者在描述这些复杂概念时所展现出的严谨性，每一个定义、每一个定理都经过了反复推敲。它不像一些教科书那样枯燥乏味，反而像是一位经验丰富的老工程师在手把手地教你如何构建一个经得起时间考验的系统。书中对时间度量和时钟同步的讨论，也极其深刻，揭示了在分布式实时系统中保持一致性所面临的本质挑战，远比我之前想象的要复杂得多。

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这本书的封面设计非常吸引人，色彩搭配既专业又不失现代感，初次翻阅时便给人一种深入其境的感觉。它仿佛是一张通往复杂系统设计核心的邀请函。在深入阅读之前，我对实时系统的理解停留在比较表层的概念上，仅限于时间约束和并发处理这些基础知识。然而，随着章节的展开，我发现作者以一种极其精妙的方式，将理论与实际应用无缝结合。例如，书中对任务调度算法的剖析，不仅仅停留在理论推导上，而是通过大量的实际案例，展示了不同调度策略在不同硬件架构下的性能表现。这种注重实践的叙述方式，让我这个初学者也能很快抓住重点，理解为何在特定场景下必须选择某种特定的同步机制。尤其是关于中断处理和资源共享冲突的那几章，作者深入浅出地探讨了死锁和竞态条件，并提供了一整套行之有效的预防和解决策略，这对我后续的项目设计有了极大的启发。这种将深奥技术以易于理解的方式呈现出来的功力，实在令人佩服。

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这本书最令人印象深刻的一点是其对未来趋势的洞察力。在探讨完传统的嵌入式实时系统之后，作者将视野拓宽到了基于云的边缘计算和软硬件协同设计的新范式。书中关于“时间预算”在虚拟化环境下的挑战和解决方案的讨论，清晰地指出了下一代实时系统可能面临的瓶颈。特别是关于“确定性网络”的章节，它不仅介绍了现有标准，还探讨了基于TSN（时间敏感网络）的潜力，并分析了其在工业物联网中的应用潜力。这种将经典理论与新兴技术无缝衔接的能力，使得这本书的生命力得以延续。它不仅解决了当下的问题，更像是在为未来的技术迭代提供理论基石。读完这本书，我感觉自己手中的技术栈不再是僵硬的，而是充满了成长的潜力，能够更好地迎接未来复杂系统的设计需求。

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从语言风格和排版布局来看，这本书显然是为那些已经具备一定计算机科学基础的读者准备的，它毫不留情地跳过了基础的编程语法介绍，直奔主题。其论述风格非常精炼，信息密度极高，每句话都承载着重要的信息量，需要反复阅读才能完全消化。我不得不承认，在阅读一些关于确定性网络协议和时间触发架构的部分时，我不得不频繁地查阅背景资料。但这并非缺点，反而是一种激励——它迫使我走出舒适区，去探索更前沿的领域。书中对不同硬件加速技术（如FPGA或专用DSP）与软件实时性之间的相互作用的分析，提供了一个多维度的分析视角，这对于正在从事异构计算集成的工程师来说，价值无可估量。它不是一本可以轻松读完的书，它更像是一部需要时常翻阅的工具手册和参考指南。

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