本书全面讲解嵌入式系统的基础知识，包括在信息物理系统和物联网中的应用。首先对嵌入式和CPS的规范模型和语言进行简单概述，然后介绍了相关的硬件设备和系统软件，包括实时操作系统。书中还讨论了嵌入式系统的评估和验证技术，并概述了将应用程序映射到执行平台(包括多核心平台)的技术。嵌入式系统必须在严格的约束下运行，因此，本书还讨论了优化技术。第3版进行了重要更新和修订，以反映新的趋势，例如：信息物理系统和物联网的重要性，从单核处理器到多核处理器的发展，以及能源效率和热量问题的重要性。
经典方法与新兴技术结合，关注软硬件协同，超越基于微控制器的嵌入式系统设计
本书讲述什么？
“信息技术（IT）正处于另一次革命的边缘。……网络化的嵌入式计算机系统……通过将诸多允许以前所未有的方式来感知、共享和处理信息的装置和传感器连接在一起，具有彻底改变人们与所处环境的交互方式的潜能。在整个社会中……它的使用……会让信息革命中的前几个里程碑相形见绌。”
这段话引自美国国家科学研究委员会的一份报告 [392]，极好地阐述了信息技术中由嵌入式系统所带来的令人瞩目的影响。该类系统可被理解为将信息处理嵌入封闭的产品系统（如汽车或者飞机）中 [355]。这一革命已经产生了巨大的影响且仍会继续。例如，移动设备的出现便对人类社会产生了影响。鉴于计算与物理对象的日益集成，人们引入了信息物理系统○一 （Cyber?Physical System，CPS）的概念。该类系统“是由计算与物理组件所构建并依赖于它们的协同效用的工程系统”[394]。对象或者说“物件”在流行的“物联网”（Internet of Things，IoT）术语中扮演着关键角色。IoT“……描述了……各类设备……能够彼此交互并协作来达成共同目标”[179]。普适计算、环境智能以及“工业 4.0”等名词也都指向了由信息技术所带来的巨大改变和影响。无人驾驶汽车和更多远程控制的机载设备等更多变化即将出现。
现有的诸多课程还远远没有反映出嵌入式系统或信息物理系统和物联网的重要性。设计这些系统除了需要进行传统编程以及算法设计之外，还需要其他知识和技能。获取该类知识的综合阐述是极为困难的，因为与之相关的领域范围宽广。本书的目标是帮助读者从相关领域获取知识。本书提供了关于该类系统的基础课程内容，并概述了信息技术与物理对象集成的关键概念。本书包括硬件和软件两个主要方面。这与 ARTIST○二就嵌入式系统课程所给出的指导方针是一致的：“嵌入式系统的开发不能忽略底层硬件的特性。时序、存储器的使用、功耗以及物理故障等都是非常重要的方面。”[86]
本书适合作为教材。然而，它比常见教材提供了更多的参考文献，这些参考文献有助于读者对该领域进行梳理。因此，本书也适合教职人员与工程师使用。对于学生而言，丰富的参考文献引用使得对相关信息资源的访问更加方便。
本书聚焦于软件与硬件的基础知识。仅当特定的产品及工具具有突出的特点时，它们才会被提及。再次说明，这与 ARTIST 的指导方针是一致的：“如果最初没有学过这些基础知识，要在持续的训练过程中获取它们看上去非常困难，所以我们必须聚焦于这些基础知识。”[86] 为此，本书的内容将会超越基于微控制器编程的嵌入式系统设计。本书讲述信息物理系统和物联网设计所需的嵌入式系统设计基础。基于该方法，我们确保所讲述的内容不会太快就过时。本书所涵盖的概念在未来数年里都将有意义。
参考文献 [356] 中阐述了计算机科学与计算机工程课程中对于现行教材的定位。我们想要将该领域中的大多数重要主题联系起来。这样，就避免了 ARTIST 指导方针中提及的一个问题：“该领域的欠成熟导致了各种各样的工业实践，常常归因于文化习惯。……课程……专注于某一技术，而且没有呈现足够广泛的视角。……其结果是，难以在工业界找出训练有素、充分了解设计选择的工程师。”[86]
也常译为信息物理融合系统。——译者注
ARTIST（Advanced Real-Time Systems）是欧盟第 5 框架计划下的高级实时系统项目（编号：IST-2001-34820），融合了工业界与学术界的力量，重点关注嵌入式实时系统领域内新技术的研究与应用。——译者注
本书有助于在微控制器编程的实践经验和更多理论问题之间建立起可以弥合这一鸿沟的桥梁。此外，这也有助于激发学生和教师查阅更多的细节。本书详细地讨论了多个主题，并简要地介绍了其他一些主题。在内容中覆盖这些简要的主题，是为了让读者全面地了解相关问题。此外，这种方法使得授课教师可以利用书中的链接来添加一些补充性资料。鉴于丰富的参考文献，本书也可被用作综合性教程，为附加阅读提供指引。在实验室、项目、独立学习以及研究的起点阶段，该类参考资料同样对读者有益。
本书涵盖了规格技术、硬件组件、系统软件、应用映射、评估与验证，以及典型的优化与测试方法。本书从广泛的视角讨论了嵌入式系统及其与物理环境的接口，但并未讨论每个与之相关的领域。法律与社会经济学方法、人机接口、数据分析、应用的特定方面以及对物理学和通信等知识的详细阐述都超出了本书的范围。对物联网的讨论仅局限于与嵌入式系统相关的部分。
这与 T. Abdelzaher 在近期关于 CPS 教育的报告中所描述的课程相一致 [393]。
哪些读者应该阅读本书？
本书主要面向如下读者：
● 计算机科学（CS）、计算机工程（CE）和电子工程（EE）专业的学生，以及想要专门从事嵌入式系统 / 信息物理系统或者物联网工作的信息与通信技术（ICT）相关领域的学生。本书适合已经掌握计算机硬件和软件知识的大学三年级学生。这意味着本书对象主要是大四的学生○一。然而，如果本科课程计划中没有嵌入式系统设计或者某些主题的讨论被推迟的话，本书也可用于研究生阶段。本书意在为后续课程中要覆盖的更高级主题铺平道路。本书假定读者已掌握计算机科学的基础知识。要想完全理解书中的主题，电子工程专业的学生可能不得不阅读一些附加资料。他们应熟知本书中所涵盖的部分内容，这将有益于理解本书。
● 长期从事系统硬件工作，有意转向嵌入式系统软件方向的工程师。本书会提供丰富的背景知识，以更好地理解相关的技术出版物。
● 在聚焦于特定研究领域之前想要对嵌入式系统技术中的重要概念进行快速、宽泛了解的博士生。
● 在相关领域中设计一门新课程的教授。
本书与之前版本有何差异？
本书的第 1 版出版于 2003 年。嵌入式系统领域正在快速发展，自那时起很多新的成果已经投入应用。同样，有些领域的重点也已经发生了变化。在某些情况下，对该主题进行更为详细的讨论是有意义的。当本书的第一个德语版本在 2007 年出版的时候，已经出现了一些新的发展。因此，在 2010 年末或 2011 年初出版第二个英语版本就变得非常必要。从那时起，又出现了一些新的技术变化：从单核系统到多核系统就是一个明显的变化；CPS 以及 IoT 受到更多关注；功耗及热量问题已经变得更加重要，因此现在的很多设计都具有严格的功耗和热量约束；此外，可靠性与安全性也变得非常重要。总体而言，出版本书的第 3 版非常有必要。如上所述的改变对本书的多个章节都产生了影响。现在，我们正在将嵌入式系统的这些方面包含并连接起来，这些方面都是设计信息物理系统与物联网系统的基础支撑。为了反映这些变化，前言和第 1 章已被重写。当前“规格与建模”一章已包括偏微分方程以及事务级建模（Transaction-Level Modeling，TLM）。在基于翻转课堂的教学中，使用本书会引发对更多细节的关注，尤其是规格技术。“嵌入式系统硬件”一章包括多核技术、重写的“存储器”一节，以及关于模拟域与数字域间转换的更多信息（包括脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM））。现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Arrays，FPGA）以及关于嵌入式系统中安全问题的小节已经更新。“系统软件”一章现在包括“嵌入式 Linux”一节，以及关于资源访问协议的更多内容。系统评估部分新增了关于质量度量、可靠性与安全性、能量模型以及散热问题的章节。关于映射到执行平台的章节已被重新组织，介绍了调度问题的标准分类，同时增加了多核调度算法。现在，作业（job）与任务（task）之间的差异更加清晰了。同时，缩减了对软硬件协同设计的阐述。关于优化的章节也已被更新，面向特定处理器的编译部分则被缩减。
所有章节已经被仔细审阅并在必要的情况下进行了更新。插图和章末习题也做了同步升级，定义、定理、证明、代码和示例的不同作用变得更加清晰。
就新版而言，在一门本科生课程中覆盖全部内容显然是不可行的，授课教师可以根据具体需要和优先程度自行选择。
Peter Marwedel
德国多特蒙德
2017 年 2 月
计算机/嵌入式
本书讲解信息物理系统（CPS）和物联网（IoT）设计所需的嵌入式系统设计基础，内容广度超越了基于微控制器的嵌入式系统设计。全书主要内容包括规格技术、硬件组件、系统软件、应用映射、评估与验证、优化与测试。更新的内容包括事务级建模、FPGA、嵌入式Linux、质量度量、可靠性与安全性、多核调度算法等。
本书特色
紧跟技术趋势，突出CPS和IoT应用，反映了从单核处理器到多核处理器的变化，以及能源效率和热量问题的重要性。
从嵌入式系统的设计过程和方法出发，将经典方法与新兴技术相结合，将建模与硬件相结合，建立软硬件协同的视角。
将理论知识与微控制器编程实践相融合，提供大量参考文献和习题，便于读者根据不同需求进行基础学习或进阶研究。
作者简介
彼得·马韦德尔（Peter Marwedel） 多特蒙德工业大学教授，曾任计算机科学系嵌入式系统方向负责人。他是IEEE会士、DATE会士，曾荣获ACM SIGDA杰出服务奖、EDAA终身成就奖以及ESWEEK终身成就奖。他的研究兴趣是嵌入式系统的自动化设计，特别是构建高效嵌入式软件，专注于能源效率和时间可预测性。
译者简介
张凯龙 博士、博士后（法国），西北工业大学计算机学院副教授、博士生导师，中国计算机学会嵌入式系统专委会秘书长。主要研究方向为实时智能系统、空天地群智能系统、智能交通系统及计算机仿真技术等。
[德] 彼得·马韦德尔（Peter Marwedel） 著：---作者简介---
彼得•马韦德尔（Peter Marwedel） 多特蒙德工业大学教授，曾任计算机科学系嵌入式系统方向负责人。他是IEEE会士、DATE会士，曾荣获ACM SIGDA杰出服务奖、EDAA终身成就奖以及ESWEEK终身成就奖。他的研究兴趣是嵌入式系统的自动化设计，特别是构建高效嵌入式软件，专注于能源效率和时间可预测性。
---译者简介---
张凯龙 博士、博士后（法国），西北工业大学计算机学院副教授、博士生导师，中国计算机学会嵌入式系统专委会秘书长。主要研究方向为实时智能系统、空天地群智能系统、智能交通系统及计算机仿真技术等。
21 世纪以来，以嵌入式计算、5G 通信、人工智能、大数据和云计算等为代表的信息技术已成为牵引和决定人类社会生产与生活创新发展的新引擎，传统行业快速升级，新兴行业不断涌现，这标志着万物智联的新时代大幕已经开启，第四次工业革命亦是呼之欲出。嵌入式系统技术是实现物理装置数字化、信息化、智能化的重要基础，是促进信息世界与物理世界交互融合的重要桥梁，是推动智能制造、智能交通、智慧医疗等新兴应用创新发展的重要动力。从计算机诞生之初的简单功能嵌入，到大规模集成电路阶段的系统整体嵌入，再到基于网络通信技术的多态互联嵌入，直至当今信息物理深度融合的智慧能力嵌入，嵌入式系统的知识体系和技术特征在几十年里快速演化并丰富、更新。纵观本书，其内容密切围绕“信息物理系统”（CPS）和物联网（IoT）的特点与需求进行组织，拓展并全面呈现了嵌入式系统技术的新内涵。如我们所知，经典的嵌入式系统知识体系一般是从系统构成的角度，将内容划分为硬件、软件、开发与验证三个主要部分，并以此为纲来展开。这种知识体系可以清晰地描述系统的构成及组件间的逻辑关系。与之不同的是，本书重点从嵌入式系统的设计过程和方法出发，以“主题”的形式提炼、构建了经典方法与新兴技术相结合的内容体系，并旁征博引地对其进行了拓展和延伸。其中，每个主题的内容组织又以基础知识、方法、设计与技术等主要方面为支撑，突出了传统与新颖、理论与技术的有机融合。总体而言，本书属于质量上乘的专业著作，内容具有一定的深度和难度，适合信息类专业的高年级本科生、研究生以及对该领域感兴趣且具有较好专业基础的读者阅读和学习。
专业书籍的翻译和写作常常是“艰辛”而又“漫长”的，是既“苦心志”又“长智慧”的成长过程，近年来译者对此体会愈发深刻。看完本书目录之后，译者很快就被其新颖的体系、博大的范畴和独特的组织所打动，从而决定接受邀约并再次开启一段“文化苦旅”。由于日常的教学、科研以及社会工作任务较重，翻译工作实际上主要是在工作之余的碎片化时间里完成的，夜晚、假期常常是效率最高的时段。本书篇幅适中，但翻译工作前后历经十月余，实有工作繁重、分身乏术之无奈。当然，这也与自己本着自我教育的态度来生活、坚持“ Working by Learning，Learning by Doing”的理念去工作有一定的关系。由此，书籍的翻译已不仅是一项语言文字处理工作，而是成为一个极为宝贵的专业探索、知识学习、思维拓展、语言提升和国际交流过程。这看起来让工作内容更加繁重，但实际上所达成的工作效果更好，受益也更多。除此之外，在以自我教育的态度所度过的这些“艰苦”岁月里，译者也时时感受到由丰富的生活体验升华而来的积极而又厚重的生命体验，相信这于职业、于人生都是极有益的。以价值追求和自我教育为目标的负重前行与不懈努力终究会有积极深远的意义。
感谢机械工业出版社的再一次信任和邀约！感谢多特蒙德工业大学 Peter Marwedel 教授所奉献的优秀著作以及在本书翻译期间与译者的及时交流！ Peter Marwedel 教授虽已退休，但他正在将本书翻译为德文，这种潜心向学、严谨治学的宝贵精神令人由衷敬佩！感谢西北工业大学计算机学院张艳宁教授、苗克坚教授和吴晓副教授的关心与鼓励！感谢机械工业出版社曲熠编辑的支持与帮助！感谢在翻译工作期间给予关心、支持和帮助的所有人！
感谢在本书第二阶段校稿中付出辛勤努力、贡献知识和才华的硕士研究生李强、赵启迪、李刘洋、费超、谢尘玉、巩政、吴志豪、刘宇希、阜稳稳、屈冉和王雨佳等，他们认真严谨、聪颖好学、充满活力又富有合作精神，令我印象深刻！
感谢家人让我心中充满爱和责任，同时给予我不断前行的力量！特别感谢我的太太李瑜女士，感谢她对我一如既往的信任和支持，让我能够静心、专心于本书的翻译工作！感谢“邻桌一起做作业”的嘉航同学和天真可爱的嘉芮小朋友，你们让生活充满了乐趣，愿爱伴你们一起成长！
因个人知识与能力有限，译著难免有不妥、谬误之处，敬请广大读者指正并给予宝贵意见（译者邮箱：kl.zhang@nwpu.edu.cn）。
于己亥年甲戌月完成本书翻译之际，自题七言小记一首，与读者共勉。
墨海洲头生沉香，半山烟雨绕四梁；
纷繁不扰心所向，逸趣静得好时光。
张凯龙
于西安
出版者的话
译者序
前言
致谢
作者简介
常用数学符号
第 1 章 引言1
1.1 术语演化史111.2 机遇 3
1.3 挑战 5
1.4 共性特征 11
1.5 嵌入式系统的课程综合 12
1.6 设计流 11
41.7 本书的组织结构 17
1.8 习题 18
第 2 章 规格与建模 19
2.1 需求 19
2.2 计算模型 23
2.3 早期设计阶段 27
2.3.1 用例 27
2.3.2 （消息）序列图以及时间 / 距离图128
2.3.3 微分方程 30
2.4 通信有限状态机 31
2.4.1 时间自动机 32
2.4.2 StateCharts：隐式共享内存通信33
2.4.3 同步语言40
2.4.4 消息传递：以SDL为例41
2.5 数据流46
2.5.1 范畴46
2.5.2 卡恩进程网络47
2.5.3 同步数据流49
2.5.4 Simulink51
2.6 Petri网52
2.6.1 概述52
2.6.2 条件/事件网54
2.6.3 库所/变迁网55
2.6.4 谓词/变迁网58
2.6.5 评价59
2.7 基于离散事件的语言60
2.7.1 基本的离散事件仿真周期60
2.7.2 多值逻辑62
2.7.3 事务级建模65
2.7.4 SpecC67
2.7.5 SystemC68
2.7.6 VHDL69
2.7.7 Verilog和SystemVerilog77
2.8 冯·诺依曼语言78
2.8.1 CSP78
2.8.2 Ada78
2.8.3 Java80
2.8.4 通信库81
2.8.5 其他语言82
2.9 硬件建模级别83
2.10 计算模型的比较84
2.10.1 标准84
2.10.2 UML86
2.10.3 Ptolemy II88
2.11 习题88
第3章 嵌入式系统硬件91
3.1 概述91
3.2 输入92
3.2.1 传感器92
3.2.2 时间离散化：采样保持电路94
3.2.3 信号的傅里叶近似94
3.2.4 值的离散化：模-数转换器97
3.3 处理单元101
3.3.1 专用集成电路102
3.3.2 处理器102
3.3.3 可重构逻辑118
3.4 存储器120
3.4.1 一组冲突的目标120
3.4.2 分层存储结构121
3.4.3 寄存器文件122
3.4.4 高速缓存122
3.4.5 暂存存储器124
3.5 通信124
3.5.1 要求124
3.5.2 电气鲁棒性125
3.5.3 确保实时行为126
3.5.4 示例127
3.6 输出128
3.6.1 数-模转换器129
3.6.2 采样定理130
3.6.3 脉冲宽度调制134
3.6.4 作动器135
3.7 电能：能源效率、能源产生及存储136
3.7.1 硬件组件的能源效率136
3.7.2 电能来源138
3.7.3 能量存储138
3.8 安全硬件140
3.9 习题141
第4章 系统软件144
4.1 嵌入式操作系统144
4.1.1 基本要求144
4.1.2 实时操作系统147
4.1.3 虚拟机149
4.2 资源访问协议149
4.2.1 优先级翻转149
4.2.2 优先级继承151
4.2.3 优先级天花板协议153
4.2.4 栈资源策略154
4.3 ERIKA156
4.4 嵌入式Linux158
4.4.1 嵌入式Linux的结构与大小159
4.4.2 实时属性160
4.4.3 flash存储器文件系统161
4.4.4 减少RAM使用162
4.4.5 uClinux——面向无MMU系统的Linux163
4.4.6 评估嵌入式系统中Linux的使用164
4.5 硬件抽象层164
4.6 中间件165
4.6.1 OSEK/VDX COM165
4.6.2 CORBA165
4.6.3 POSIX线程166
4.6.4 UPnP、DPWS和JXTA166
4.7 实时数据库167
4.8 习题167
第5章 评估与验证169
5.1 概述169
5.1.1 范畴169
5.1.2 多目标优化169
5.1.3 一组相关目标171
5.2 性能评估171
5.2.1 早期阶段171
5.2.2 WCET估计172
5.2.3 实时演算176
5.3 质量度量179
5.3.1 近似计算179
5.3.2 简单的质量标准180
5.3.3 数据分析的标准182
5.4 能量和功率模型183
5.4.1 一般属性183
5.4.2 存储器分析184
5.4.3 指令和指令间影响分析184
5.4.4 主功能处理器单元分析184
5.4.5 处理器与存储器能耗分析185
5.4.6 整体应用分析186
5.4.7 支持多线程的多应用分析187
5.4.8 Android手机中的通信分析188
5.4.9 最坏情况能耗189
5.5 热模型189
5.6 可信度与风险分析194
5.6.1 可信度的几个方面194
5.6.2 可靠安全性分析195
5.6.3 防护安全性分析196
5.6.4 可靠性分析196
5.6.5 故障树分析、失效模式与影响分析201
5.7 仿真202
5.8 快速原型与模拟203
5.9 形式化验证204
5.10 习题205
第6章 应用映射207
6.1?调度问题的定义207
6.1.1 设计问题的详细阐述207
6.1.2 调度问题的类型209
6.2 单处理器调度213
6.2.1 相互独立的作业213
6.2.2 带有优先序约束的调度217
6.2.3 无优先序约束的周期性调度218
6.2.4 带有优先序约束的周期性调度223
6.2.5 零星事件224
6.3 相同多处理器上独立作业的调度224
6.3.1 隐式截止期任务的分区调度224
6.3.2 面向隐式截止期的全局动态优先级调度227
6.3.3 面向隐式截止期的全局固定作业优先级调度228
6.3.4 面向隐式截止期的全局固定任务优先级调度231
6.4 同构多处理器上的关联作业232
6.4.1 ASAP调度233
6.4.2 ALAP调度234
6.4.3 列表调度235
6.4.4 基于整数线性规划的最优调度236
6.5 异构多处理器上的关联作业237
6.5.1 问题描述237
6.5.2 采用局部启发的静态调度237
6.5.3 采用整数线性规划的静态调度240
6.5.4 采用进化算法的静态调度240
6.5.5 动态混合调度244
6.6 习题244
第7章 优化246
7.1?高级优化246
7.1.1?简单循环变换246
7.1.2?循环分块248
7.1.3?循环分裂249
7.1.4?数组折叠250
7.1.5?浮点到定点的转换251
7.2?任务级并发管理252
7.3?嵌入式系统编译器255
7.3.1?概述255
7.3.2?能量感知编译255
7.3.3?存储体系感知编译256
7.3.4?协调编译与时间分析262
7.4?功率与热管理263
7.4.1?动态电压与频率调节263
7.4.2?动态电源管理265
7.4.3?MPSoC的热管理265
7.5?习题266
第8章 测试268
8.1?范畴268
8.2?测试过程269
8.2.1?门级模型的测试模式生成269
8.2.2?自检程序269
8.3?测试模式集与系统鲁棒性的评估270
8.3.1?故障覆盖率270
8.3.2?故障模拟270
8.3.3?故障注入271
8.4?可测试性的设计271
8.4.1?动机271
8.4.2?扫描设计272
8.4.3?特征分析273
8.4.4?伪随机测试模式生成274
8.4.5?内置逻辑块观察器275
8.5?习题276
附录A 整数线性规划277
附录B 基尔霍夫定律与运算放大器279
附录C 分页与内存管理单元283
参考文献
参考文献为在线资源，请访问华章网站 www. hzbook. com 下载。——编辑注
