嵌入式系统导论(CPS方法原书第2版)/计算机科学丛书

本书从CPS的视角，围绕嵌入式系统的建模、设计和分析三方面，深入浅出地介绍了设计和实现CPS的整体过程及各个阶段的细节，重点是论述系统模型与系统实现的关系，以及软件和硬件与物理环境的相互作用。第2版增加了两章，第7章覆盖传感器和作动器，强调建模；第17章给出嵌入式系统的安全和隐私方面的基本内容。

爱德华·阿什福德·李（Edward Ashford Lee） 加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系（EECS）罗伯特·S.佩珀（Robert S. Pepper）杰出教授；研究兴趣集中于嵌入式实时计算系统的设计、建模与分析，曾任加州大学伯克利分校电子工程（EE）分部以及电子工程与计算机科学系主任。1979年获得耶鲁大学计算机科学学士学位，1981年获得麻省理工学院（MIT）电气工程与计算机科学硕士学位，1986年获得加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学博士学位。1979年至1982年期间，曾在位于新泽西州霍姆德尔的贝尔实验室任职。他是伯克利设计技术股份有限公司（BDTI）的联合创始人、IEEE会士（IEEE Fellow）、美国国家科学基金会总统青年科学家，并于1997年获得美国工程教育学会的弗雷德里克·埃蒙斯·特曼奖。 桑吉特·阿伦库马尔·塞希阿（Sanjit Arunkumar Seshia） 加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系教授；研究兴趣集中于可信计算、计算逻辑和形式化方法及其在嵌入式系统、计算机安全、电子设计自动化以及合成生物学等领域问题中的应用；于印度理工学院孟买分校获得计算机科学与工程学士学位，于卡内基-梅隆大学（CMU）获得计算机科学硕士和博士学位。他曾获美国青年科学家与工程师总统奖（PECASE）、艾尔弗雷德·P.斯隆研究奖，以及卡内基-梅隆大学计算机科学学院杰出学位论文奖。

出版者的话 译者序 前言 第1章　绪论 1 1.1　应用 1 1.2　启发式示例 4 1.3　设计过程 5 1.3.1　建模 7 1.3.2　设计 8 1.3.3　分析 8 1.4　小结 9 第一部分　动态行为建模 第2章　连续动态 12 2.1　牛顿力学 12 2.2　参元模型 15 2.3　系统特性 17 2.3.1　因果系统 17 2.3.2　无记忆系统 18 2.3.3　线性与时不变性 18 2.3.4　稳定性 19 2.4　反馈控制 19 2.5　小结 22 习题 23 第3章　离散动态 25 3.1　离散系统 25 3.2　状态的概念 28 3.3　有限状态机 28 3.3.1　迁移 29 3.3.2　响应 31 3.3.3　更新函数 32 3.3.4　确定性与接受性 34 3.4　扩展状态机 35 3.5　非确定性 37 3.5.1　形式化模型 38 3.5.2　非确定性的用途 39 3.6　行为与轨迹 39 3.7　小结 41 习题 41 第4章　混合系统 45 4.1　模态模型 45 4.1.1　状态机的参元模型 45 4.1.2　连续输入 45 4.1.3　状态精化 46 4.2　混合系统分类 47 4.2.1　时间自动机 47 4.2.2　高阶动态性 49 4.2.3　监督控制 53 4.3　小结 56 习题 57 第5章　状态机组合 61 5.1　并发组合 62 5.1.1　平行同步组合 63 5.1.2　平行异步组合 64 5.1.3　共享变量 66 5.1.4　级联组合 68 5.1.5　通用组合 70 5.2　分层状态机 70 5.3　小结 72 习题 72 第6章　并发计算模型 75 6.1　模型的结构 75 6.2　同步响应模型 77 6.2.1　反馈模型 78 6.2.2　形式非良好模型与形式良好模型 79 6.2.3　推定一个不动点 80 6.3　数据流计算模型 81 6.3.1　数据流原理 82 6.3.2　同步数据流 84 6.3.3　动态数据流 86 6.3.4　结构化数据流 87 6.3.5　进程网络 88 6.4　时间计算模型 89 6.4.1　时间触发模型 89 6.4.2　离散事件系统 92 6.4.3　时间连续系统 93 6.5　小结 95 习题 95 第二部分　嵌入式系统设计 第7章　传感器与执行器 100 7.1　传感器与执行器模型 101 7.1.1　线性与仿射模型 101 7.1.2　量程 101 7.1.3　动态量程 102 7.1.4　量化 102 7.1.5　噪声 104 7.1.6　采样 105 7.1.7　谐波失真 107 7.1.8　信号调理 108 7.2　一些常用传感器 109 7.2.1　测量倾斜度与加速度 109 7.2.2　测量位置和速度 110 7.2.3　测量旋转 111 7.2.4　测量声音 111 7.2.5　其他传感器 111 7.3　执行器 112 7.3.1　发光二极管 112 7.3.2　电机控制 112 7.4　小结 115 习题 115 第8章　嵌入式处理器 117 8.1　处理器类型 117 8.1.1　微控制器 117 8.1.2　DSP处理器 119 8.1.3　图形处理器 123 8.2　并行机制 123 8.2.1　并行与并发 123 8.2.2　流水线 125 8.2.3　指令级并行 127 8.2.4　多核体系结构 132 8.3　小结 132 习题 132 第9章　存储器体系结构 134 9.1　存储器技术 134 9.1.1　RAM 134 9.1.2　非易失性存储器 135 9.2　存储器分级体系 135 9.2.1　存储器映射 136 9.2.2　寄存器文件 137 9.2.3　暂存器与高速缓存 138 9.3　存储器模型 140 9.3.1　存储器地址 140 9.3.2　栈 141 9.3.3　存储器保护单元 142 9.3.4　动态内存分配 142 9.3.5　C程序的存储模型 143 9.4　小结 143 习题 144 第10章　输入与输出 146 10.1　I/O硬件 146 10.1.1　脉冲宽度调制 147 10.1.2　通用数字I/O 147 10.1.3　串行接口 149 10.1.4　并行接口 151 10.1.5　总线 151 10.2　并发世界中的顺序软件 152 10.2.1　中断与异常 152 10.2.2　原子性 154 10.2.3　中断控制器 155 10.2.4　中断建模 155 10.3　小结 158 习题 158 第11章　多任务机制 163 11.1　命令式程序 163 11.2　线程 166 11.2.1　创建线程 166 11.2.2　实现线程 168 11.2.3　互斥 169 11.2.4　死锁 171 11.2.5　内存一致性模型 172 11.2.6　多线程机制带来的问题 173 11.3　进程与消息传递 174 11.4　小结 177 习题 178 第12章　调度机制 181 12.1　调度基础 181 12.1.1　调度决策 181 12.1.2　任务模型 182 12.1.3　调度器比较 184 12.1.4　调度器的实现 184 12.2　单调速率调度 185 12.3　最早截止期优先调度 187 12.4　调度与互斥 190 12.4.1　优先级翻转 190 12.4.2　优先级继承协议 191 12.4.3　优先级天花板协议 192 12.5　多处理器调度 193 12.6　小结 195 习题 196 第三部分　分析与验证 第13章　不变量与时态逻辑 200 13.1　不变量 200 13.2　线性时态逻辑 201 13.2.1　命题逻辑公式 202 13.2.2　线性时态逻辑公式 203 13.2.3　运用线性时态逻辑公式 205 13.3　小结 206 习题 207 第14章　等价与精化 209 14.1　规格模型 209 14.2　类型等价与精化 209 14.3　语言等价与包含 211 14.4　模拟 215 14.4.1　模拟关系 216 14.4.2　形式化模型 217 14.4.3　传递性 217 14.4.4　模拟关系的非唯一性 218 14.4.5　模拟与语言包含的对比 218 14.5　互模拟 219 14.6　小结 220 习题 221 第15章　可达性分析与模型检验 224 15.1　开放和封闭系统 224 15.2　可达性分析 225 15.2.1　Gp验证 225 15.2.2　显式状态模型检验 226 15.2.3　符号化模型检验 227 15.3　模型检验中的抽象 229 15.4　模型检验活性属性 231 15.4.1　将属性作为自动机 232 15.4.2　寻找接受环路 233 15.5　小结 235 习题 235 第16章　定量分析 237 16.1　关注的问题 237 16.1.1　极端情况分析 237 16.1.2　阈值分析 238 16.1.3　平均情况分析 238 16.2　将程序表示为图 238 16.2.1　基本块 239 16.2.2　控制流图 239 16.2.3　函数调用 240 16.3　执行时间的决定因素 241 16.3.1　循环边界 241 16.3.2　指数路径空间 243 16.3.3　路径可行性 243 16.3.4　存储器分级体系 244 16.4　执行时间分析基础 245 16.4.1　优化的形式化表示 245 16.4.2　逻辑流约束 247 16.4.3　基本块的边界 249 16.5　其他定量分析问题 250 16.5.1　内存边界分析 250 16.5.2　功耗和能耗分析 252 16.6　小结 252 习题 252 第17章　安全性与隐私性 255 17.1　密码学原语 256 17.1.1　加密与解密 256 17.1.2　数字签名与安全散列函数 259 17.2　协议与网络安全性 260 17.2.1　密钥交换 261 17.2.2　加密协议设计 262 17.3　软件安全性 263 17.4　信息流 265 17.4.1　几个示例 266 17.4.2　理论 268 17.4.3　分析与实施 269 17.5　高级主题 270 17.5.1　传感器与执行器安全 270 17.5.2　旁路攻击 271 17.6　小结 272 习题 273 第四部分　附　　录 附录A　集合与函数 276 附录B　复杂性与可计算性 281 参考文献 292 符号说明 306