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出版者:Springer-Verlag New York Inc

作者:Kornecki, Andrew J./ Zalewski, Janusz

出品人:

页数:350

译者:

出版时间:

价格:55.01

装帧:HRD

isbn号码:9780387951331

丛书系列:

图书标签:

• 实时系统
• 软件工程
• 嵌入式系统
• 并发编程
• 分布式系统
• 系统设计
• 性能优化
• 软件架构
• 测试与调试
• 开发方法论

《嵌入式系统设计与优化》 本书深入探讨了嵌入式系统开发的核心理念、关键技术与实践方法。从硬件架构的选型与分析，到操作系统内核的定制与移植，再到驱动程序的编写与调试，本书提供了全面而系统的指导。我们将详细阐述如何针对不同的应用场景，如物联网设备、工业自动化控制、汽车电子系统等，进行高效的硬件资源管理和软件性能优化。 第一部分：嵌入式系统基础 嵌入式系统概述： 深入剖析嵌入式系统的定义、特点、发展历程及其在现代科技中的广泛应用。我们将重点关注嵌入式系统与通用计算系统的区别，以及其在资源受限环境下的设计挑战。 处理器架构选型： 详细介绍ARM、MIPS、RISC-V等主流嵌入式处理器架构的特点、指令集、流水线设计以及功耗与性能的权衡。读者将学习如何根据项目需求，选择最适合的处理器平台。 存储器系统： 阐述嵌入式系统中常用的存储器类型，包括RAM（SRAM, DRAM）、Flash Memory（NOR, NAND）、EEPROM等，以及它们的读写原理、时序特性和接口规范。我们将讲解如何有效地管理和访问这些存储器，以满足数据存储和程序执行的需求。 外围设备接口： 深入讲解GPIO、UART、SPI、I2C、USB、Ethernet、CAN等常用外围设备接口的设计与通信协议。通过丰富的实例，读者将掌握如何连接和控制各种传感器、执行器、通信模块等，构建功能完整的嵌入式设备。 开发环境搭建： 指导读者搭建交叉编译环境，包括交叉编译器、调试器（GDB）、仿真器（JTAG/SWD）以及集成开发环境（IDE）的配置。我们将分享常用开发工具链的使用技巧，以提高开发效率。 第二部分：嵌入式操作系统（RTOS） RTOS原理与模型： 详细介绍实时操作系统的核心概念，包括任务管理（创建、调度、同步、通信）、中断处理、内存管理、设备管理等。我们将对比不同RTOS（如FreeRTOS, RT-Thread, uC/OS）的设计理念和API接口，帮助读者理解其工作机制。 任务调度算法： 深入分析优先级调度、时间片轮转调度、多级反馈调度等常见调度算法的原理，以及它们在实时系统中的适用性。读者将学习如何配置和优化任务调度策略，以满足严格的实时性要求。 进程间通信（IPC）与同步： 详细阐述信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组等IPC机制的原理和应用。我们将指导读者如何利用这些机制，实现任务间的数据共享和协作，避免竞态条件和死锁。 中断管理： 深入讲解中断的产生、响应、处理流程以及中断优先级的设计。我们将探讨如何编写高效的中断服务例程（ISR），并处理中断嵌套，确保系统的稳定性和响应速度。 内存管理： 介绍嵌入式系统中常用的内存分配策略，如静态分配、动态分配（malloc/free）、内存池等。我们将讲解内存碎片化问题及其解决方案，以及如何在资源受限的嵌入式环境中进行高效的内存管理。 第三部分：嵌入式软件开发与优化 驱动程序开发： 深入讲解驱动程序的设计原则、编写流程以及与硬件交互的技巧。我们将以具体硬件为例，演示如何编写串口、I2C、SPI、ADC、DAC等驱动程序。 嵌入式Linux应用开发： 针对嵌入式Linux平台，我们将介绍其用户空间和内核空间的应用开发模型，以及常用的系统调用和API。读者将学习如何编写应用程序，与Linux内核交互，利用其丰富的系统服务。 软件移植与调试： 讲解嵌入式软件在不同硬件平台上的移植方法，包括启动代码的修改、库函数的适配、驱动程序的调整等。我们将分享各种调试技巧，包括逻辑分析仪、示波器、JTAG调试器等硬件调试工具的使用，以及软件断点、日志输出等软件调试方法。 性能优化技术： 探讨嵌入式系统中常见的性能瓶颈，并提供相应的优化策略。我们将从代码层面（算法优化、数据结构选择、编译器优化选项）和系统层面（中断优化、内存访问优化、功耗管理）进行深入分析。 嵌入式系统安全性： 介绍嵌入式系统面临的安全威胁，如物理攻击、网络攻击、固件篡改等，并探讨相应的安全防护措施，包括安全启动、加密通信、访问控制等。 第四部分：案例分析与实践 本书将通过一系列典型的嵌入式系统开发案例，将理论知识与实际应用相结合。例如，我们将详细介绍如何设计一个基于STM32微控制器的智能家居网关，如何开发一个用于工业自动化控制的嵌入式系统，以及如何为一款嵌入式设备实现OTA（Over-The-Air）固件升级。这些案例将涵盖从需求分析、系统设计、硬件选型、软件开发到最终产品发布的完整流程，为读者提供宝贵的实践经验。 通过阅读本书，读者将能够： 深入理解嵌入式系统的底层原理和工作机制。 掌握嵌入式软件的开发流程和关键技术。 熟练运用嵌入式操作系统和开发工具。 具备独立进行嵌入式系统设计、开发和优化的能力。 为应对日益复杂和多样化的嵌入式应用挑战打下坚实基础。

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坦率地说，初次接触这本书时，我对它能否覆盖到最新的硬件架构挑战有些疑虑，毕竟实时系统领域与SoC的快速迭代是并行的。然而，作者在关于缓存一致性、乱序执行对实时性影响的讨论中，展现了深厚的功底。他没有止步于传统的冯·诺依曼架构的理解，而是深入到了现代处理器流水线和预测机制对时间确定性的侵蚀作用，并给出了诸如“Cache Locking”和“Prefetching禁用”等实用的规避策略。最让我印象深刻的是，书中对分布式时间同步协议（如PTP）在硬实时环境下的优化和局限性的详尽分析，这在很多通用的操作系统书籍中是找不到的。这本书的视角非常宏大，它不仅关注单个任务的调度，更将目光投向了整个跨节点、多核的复杂系统，思考如何在异构计算环境中维护全局的时间一致性。这种对系统整体行为的关注，使得这本书不仅仅是一本“如何写实时代码”的指南，更是一部“如何设计实时系统架构”的蓝图，对需要构建高可靠性工业控制或航空电子系统的工程师而言，无疑是极具启发性的参考。

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这本《Real-time Software Development》的封面设计着实抓人眼球，那种冷峻的蓝灰色调和简洁的字体排版，立刻让人感受到一股技术硬核的气息。我拿起这本书的时候，心里其实是抱着一丝忐忑的，毕竟实时系统开发这块水很深，涉及到太多底层和并发的细节，很多教材要么过于理论化，要么就只停留在表面的框架介绍。然而，翻开前几章，我立刻被它清晰的逻辑结构所吸引。作者似乎非常擅长将那些抽象的概念具象化，比如讲解中断处理和上下文切换时，他没有堆砌晦涩的术语，而是用非常形象的比喻来描绘CPU在不同任务间穿梭的场景。特别是关于资源竞争和死锁预防的章节，作者提出的几种新型调度算法的分析，既有扎实的数学推导，又不失工程实践的可操作性，这一点非常难得。它不像某些教科书那样，读完后感觉知识点都懂了，但真要应用到项目上去却无从下手。这本书更像是为你配备了一套瑞士军刀，每种工具的使用场景和注意事项都交代得明明白白，让人读完后信心倍增，迫不及待想把它应用到正在进行的项目中去检验一番。我特别欣赏它在介绍不同操作系统内核设计哲学上的深度，对比了硬实时、软实时以及确定性实时系统之间的权衡取舍，这对于一个系统架构师来说，简直是如获至宝的参考资料。

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这本书的排版和图示质量也值得称赞。在讲解复杂的调度算法时，比如Earliest Deadline First (EDF)与Rate Monotonic (RM)的比较，作者没有采用枯燥的数学公式堆砌，而是设计了一系列清晰、直观的甘特图和时间轴示意图，即便是初次接触这些概念的读者，也能迅速抓住核心的时间-资源分配关系。这种注重“视觉传达效率”的设计理念，贯穿了全书。我特别喜欢它在每一章末尾设置的“工程陷阱与反思”环节，这些不是标准教课书式的习题，而是基于真实项目失败案例总结的经验教训，例如“未对I/O完成中断处理时间进行准确估算导致的系统崩溃”等，这些具体的“雷区”提醒，比任何理论论述都来得实在和警醒。总的来说，这本书的笔触是平衡的，它既有学术上的严谨性和深度，确保了理论基础的牢固；同时又充满了对工程实践的深刻洞察和务实态度，避免了空中楼阁式的空谈。阅读它，就像是得到一位经验丰富、极度细致的导师的私房指导，让人在敬佩其专业深度的同时，也充满了前行的动力。

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我是在一个非常紧迫的项目背景下接触到这本书的，当时我们正面临一个高并发、低延迟的数据采集模块的重构，现有代码的抖动和不可预测性已经严重影响了产品质量。坦白说，一开始我只是把它当作一本“救急手册”来看待的。令我惊喜的是，书中关于“时间预算”（Timing Budget）和“最坏执行时间分析”（WCET Analysis）的论述，简直是为我们当时遇到的困境量身定做的解决方案。作者没有停留在理论层面，而是深入剖析了如何通过静态时序分析工具来验证代码的实时性保证，甚至详细展示了如何与硬件性能计数器结合进行动态验证。这种将理论与顶尖工具链深度融合的叙述方式，极大地提高了阅读的实用价值。书中对于优先级反转的深度剖析尤其精彩，它不仅仅是简单地介绍经典的“优先级继承”或“优先级天花板”，而是探讨了在分布式实时系统中，如何构建更健壮的跨进程同步机制。我发现，这本书的章节组织方式也很有匠心，它不是按部就班的堆砌知识点，而是围绕着“如何构建一个可证明的实时系统”这一核心目标层层递进，读起来有种拨云见日，步步深入的畅快感，感觉每一个知识点都是为了最终目标服务的。

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从一个纯粹的软件工程师的角度来看，这本书最大的价值在于它对现代嵌入式系统中的非功能性需求（尤其是时间约束）的重视程度。我过去读的一些书，关注点大多集中在功能实现和内存管理上，但对于一个实时系统而言，功能的“正确性”必须建立在“及时性”之上。这本书非常成功地弥补了我的这一知识盲区。它用大量的篇幅探讨了编译器优化对实时性的潜在影响，这一点常常被忽略，但在我们实际的嵌入式部署中却是致命的。例如，书中关于循环展开和函数内联如何破坏WCET分析的讨论，配上具体的汇编层面的例子，让我对编译器的“善意”行为保持了足够的警惕。此外，它对面向对象编程（OOP）在实时系统中的应用也进行了批判性的审视，并没有盲目推崇，而是指出了继承和虚函数在引入不可预测延迟方面的风险，并提供了替代的、更具确定性的设计模式。这本书的语言风格非常严谨，行文流畅，但绝不拖泥带水，每一个句子都像是经过精密的计算，力求在最短的篇幅内传达最多的信息量，给人一种极高的阅读效率和信息密度。

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