嵌入式實時操作系統-理論基礎 9787302634270 (英)吉姆.考林(Jim Cooling)著 何小慶 張

內容簡介
《嵌入式實時操作系統——理論基礎》首先介紹了嵌入式實時操作系統（RTOS）的基本概念，包括什麼是RTOS、RTOS的組成和結構、為什麼要在設計中使用RTOS、RTOS運行的微處理器架構（單核和多核處理器）以及集中和分散式計算系統； 接著進一步深入到RTOS內核機制，詳細闡述了RTOS的調度方法、通信機制、存儲管理和資源共享等RTOS核心基礎理論知識； 然後作者依託豐富的實時系統工程和研究經驗，對調度策略進行分析，討論RTOS性能測試和相關分析工具的使用，對於實際問題給出解決方法； 安全關鍵系統是嵌入式實時操作系統的重要應用場景，本書最後專門用一章來討論在安全關鍵系統中使用RTOS的一些問題，非常具體和實用。
《嵌入式實時操作系統——理論基礎》的讀者可以是高等院校相關專業的學生，也可以是想要進入軟體領域的工程師、即將進入嵌入式領域的軟體工程師，還可以是對軟體的實時系統感興趣的愛好者。

目錄
配套資料
第1章實時操作系統基礎
1 1背景
1 2開發高質量的軟體
1 3軟體建模
1 4時間和時序的重要性
1 5處理多個任務
1 6多個任務的複雜情形
1 7中斷作為執行引擎——簡單的准併發
1 8實時操作系統的基本功能
1 9執行系統、內核和操作系統
1 10基於任務的軟體設計——回顧
1 11回顧
第2章調度——概念和實現
2 1簡介
2 2簡單循環、周期循環和合作調度
2 3時間分片調度
2 4任務優先順序
2 5使用隊列
2 6基於優先順序的搶佔式調度
2 7任務隊列的實現——任務控制塊
2 8進程描述符
2 9滴答
2 10優先順序和系統響應速度
2 11繞過調度器
2 12代碼共享和重入
2 13運行時行為的不可預測性
2 14更多關於任務的細節
2 15回顧
第3章使用互斥機制控制資源共享
3 1共享資源使用中的問題
3 2使用單個標誌實現互斥
3 3信號量
3 3 1二值信號量
3 3 2通用或計數信號量
3 3 3信號量的限制和缺陷
3 4互斥量
3 5簡單監視器
3 6互斥機制綜述
3 7回顧
第4章資源共享和爭用問題
4 1資源爭用產生的死鎖問題詳解
4 2設計無死鎖的系統
4 3防止死鎖
4 3 1允許資源共享
4 3 2允許請求搶佔
4 3 3控制資源分配
4 4優先順序翻轉及任務阻塞
4 4 1優先順序翻轉問題
4 4 2基本優先順序繼承協議
4 4 3立即優先順序天花板協議
4 5死鎖預防和性能問題
4 6回顧
第5章任務間通信
5 1簡介
5 1 1任務間通信概述
5 1 2協同與同步
5 2無數據傳輸的任務交互
5 2 1任務協同機制
5 2 2使用事件標誌單向同步任務
5 2 3使用信號雙向同步任務
5 3無任務同步或協同的數據傳輸
5 3 1概述
5 3 2內存池
5 3 3隊列
5 4有數據傳輸的任務同步
5 5回顧
第6章存儲的使用和管理
6 1在嵌入式系統中存儲數字信息
6 1 1簡介
6 1 2非易失性數據存儲
6 1 3易失性數據存儲
6 1 4內存設備——Flash和RAM的簡單比較
6 1 5內存設備——SRAM和DRAM的簡單比較
6 1 6嵌入式系統——存儲設備結構
6 2存儲的概念與實現
6 3消除任務間干擾
6 3 1一種控制內存訪問的簡單方法
6 3 2使用內存保護單元控制內存訪問
6 3 3使用內存管理單元控制內存訪問
6 4動態內存分配及其問題
6 4 1內存分配與碎片化
6 4 2內存分配和泄漏
6 4 3安全的內存分配
6 5內存管理和固態驅動器
6 6回顧
第7章多處理器系統
7 1什麼是嵌入式多處理器
7 1 1為什麼要用多處理器
7 1 2處理器架構概述
7 1 3多核處理器——同構和異構類型
7 1 4多機系統結構
7 2軟體問題——作業的劃分和分配
7 2 1介紹
7 2 2將軟體構建為一組功能
7 2 3將軟體構建為一組數據處理的操作
7 3軟體控制和執行的問題
7 3 1基本的操作系統問題
7 3 2AMP系統的調度和執行
7 3 3SMP系統的調度和執行
7 3 4BMP和混合系統的調度和執行
7 3 5多處理器模式間的比較
7 4回顧
第8章分散式系統
8 1分散式系統的軟體結構
8 2分散式系統的通信和時序問題
8 3將軟體映射到分散式系統的硬體上
8 4回顧
第9章調度策略的分析
9 1概述
9 2基於優先順序的非搶佔式調度策略
9 3基於優先順序的靜態搶佔調度策略——概述
9 4基於優先順序的靜態搶佔調度策略——單調速率調度
9 5基於優先順序的靜態搶佔調度策略——結合優先順序和重要性的啟髮式方法
9 6基於優先順序的動態搶佔調度策略——概述
9 7基於優先順序的動態搶佔調度策略——最早截止時間調度
9 8基於優先順序的動態搶佔調度策略——計算時間調度
9 9基於優先順序的動態搶佔調度策略——空閑時間/鬆弛度調度
9 10改善處理器利用率——速率組
9 11調度策略——最後的解釋
9 12調度時序圖——符號一覽
9 13回顧
第10章操作系統： 基本結構和功能
10 1背景
10 2通過中斷實現簡單的多任務處理
10 3超微內核
10 4微內核
10 5通用的嵌入式RTOS
10 6回顧
第11章RTOS的性能和基準測試
11 1概述
11 2測量計算機性能——基準測試
11 2 1概述
11 2 2計算性能基準測試
11 2 3操作系統性能
11 3處理器系統的時間開銷
11 4操作系統性能和代表性基準測試
11 5操作系統性能和綜合基準測試
11 5 1概述
11 5 2基礎要求
11 5 3測試類別
11 5 4基線(參考)測試數據
11 5 5壓力測試方法
11 6回顧
第12章多任務軟體的測試和調試
12 1場景引入
12 2測試和開發多任務軟體——專業方法
12 3在目標機內測試——實用工具功能
12 3 1概述
12 3 2使用專用的控制和數據採集工具測試RTOS
12 3 3使用片上數據存儲方法測試RTOS
12 3 4使用主機系統數據存儲設施測試RTOS
12 4目標系統測試——實用要點
12 4 1介紹
12 4 2測試單個任務的併發性
12 4 3實現和測試併發操作
12 5回顧
第13章在關鍵系統中使用RTOS
13 1關鍵系統和安全完整性等級簡介
13 2操作系統問題
13 3RAM使用中的問題及補救措施
13 3 1概述
13 3 2內存丟失
13 3 3內存耗盡
13 4堆棧使用
13 4 1堆棧使用靜態分配的RAM
13 4 2改善堆棧可靠性
13 5運行時間問題
13 5 1概述
13 5 2截止時間和響應時間問題
13 5 3減少任務之間的干擾
13 5 4處理不可預測的功能行為
13 6監控和檢測運行時故障
13 6 1看門狗定時器介紹
13 6 2在單任務設計中使用WDT
13 6 3窗口看門狗定時器
13 6 4在多任務設計中使用WDT
13 7操作系統與關鍵分散式應用
13 8通過時間分區運行多個不同的應用
13 9設計指南
13 10回顧
第14章結語
14 1任務、線程和進程
14 1 1概述
14 1 2嵌入式環境的程序執行——入門指導
14 1 3軟體的活動、應用和任務
14 1 4單處理器任務內的併發
14 1 5運行多個應用
14 1 6總結
14 2RTOS與GPOS的比較
附錄A重要的基礎設施
A 1處理器間通信
A 2嵌入式系統中的圖形用戶界面
A 3回顧
附錄B參考指南
附錄C縮略語表

前言/序言
本系列書的內容是什麼
《嵌入式實時操作系統——理論基礎》和《嵌入式實時操作系統——基於STM32Cube、FreeRTOS和Tracealyzer的應用開發》為系列圖書，旨在為嵌入式實時操作系統開發提供堅實的基礎知識和技能，內容主要分為兩類：
（1） 相關的基礎知識。
（2） 實現特定設計的方法和開發技能。
來自成熟專業領域（電子、機械、航空工程等）的工程師能夠清楚地理解兩者間的不同。有經驗的工程師也懂得，對於基礎知識的理解是施展技能的先決條件。遺憾的是，在軟體工程領域，這一道理時常被忽視。
誰應該閱讀本系列書
本系列書的目標讀者是實時嵌入式系統軟體開發者，或者計劃進入該領域的人士，主要考慮了下面四個方向的讀者群：
（1） 學生。
（2） 想要進入軟體領域的工程師和科學家。
（3） 即將進入嵌入式領域的專業軟體工程師。
（4） 在基於軟體的實時系統的基本原理方面沒有接受過正式教育的程序員。
本書的內容是什麼
本書涉及實時嵌入式系統的基本原理，旨在回答下面這些問題：
（1） 實時操作系統（RTOS）是什麼？
（2） 為什麼要在設計中使用RTOS？
（3） 使用RTOS有什麼缺點？
（4） 嵌入式實時操作系統有哪些組成部分？
（5） 現代嵌入式系統可以使用單處理器、多處理器和多計算機架構，我們如何在多種平台上部署RTOS？
（6） 如何評估RTOS的性能？如何改善性能？
（7） 如何調試基於RTOS的設計？

目錄展示了關於內容的更多細節。每一章的開頭都會清楚地列出目標，推薦快速閱讀這些目標，從而了解全書的範圍和意圖。
與本書配套的《嵌入式實時操作系統——基於STM32Cube、FreeRTOS和Tracealyzer的應用開發》（已由清華大學出版社於2021年5月出版），其中包含幫助理解核心基礎知識（本書第1~5章）的實驗。在閱讀原理的同時，推薦進行相關的實驗，這有助於將來解決真實的RTOS設計問題。
應該如何閱讀本書
無論是否有經驗，請大家務必閱讀第1章，而且要充分吸收其中的信息。如果不能真正地理解第1章討論的問題，你將很難做出好的設計。
第2~6章是和實時嵌入式系統相關的基礎知識，其中不僅展示了多任務設計的實現方法，還討論了為什麼要用特定的方法，目標讀者是初次接觸實時嵌入式系統任務設計和實現的開發者。這幾章重點針對單核處理器進行討論。第7、8章擴寬了範圍，討論了多處理器和分散式系統（這兩者之間的邊界並不是那麼清晰）。
第9章進一步擴展了針對任務調度方法的討論，內容基本是理論性的，並帶有一些實踐性方面的傾向。之所以這麼晚才進入這一主題，是為了讓讀者能夠更容易地理解其內容。如果已經充分地掌握了基礎概念，這一章應該很容易理解。
第10~12章是和實時操作系統的實用性相關的內容。如果剛進入RTOS領域，第10章有助於理解不同操作系統結構之間的區別，這在選擇第一個RTOS的時候十分有用。與此對應，如果已經構建好了系統，第11、12章會更為實用，這兩章和運行時的軟體行為、質量、可靠性有關。
第13章的主題是在關鍵系統中使用RTOS，描述了針對更高的安全完整性等級，改善RTOS安全性及可靠性的步驟。隨著對可信嵌入式系統需求的增加，安全關鍵軟體已經成為一個熱門話題。這一章包括許多增強系統健壯性的方法，適用於不那麼關鍵的應用。即使你的工作不需要和關鍵系統打交道，這一章也非常值得閱讀。
致謝
書中引用了一些圖片，在相應圖片的下方給出了來源，在此表示感謝。最後，我想要感謝我的兒子Niall，他幫助我檢查了書稿，指出了代碼中好幾個問題。
讀者們，希望你們喜歡本書，祝你們一切都好。
吉姆·考林（Jim Cooling）
2022年5月寫于馬克菲爾德（英國）