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第1章 概述1

1.1实时系统的定义1

1.1.1实时1

1.1.2实时系统2

1.1.3实时计算机系统3

1.2实时系统的功能要求4

1.2.1数据收集4

1.2.2数字控制6

1.2.3人机互动6

1.3实时系统的时间要求6

1.3.1控制回路的时间要求7

1.3.2延迟抖动最小化10

1.3.3错误检测延迟最小化10

1.4可依赖性要求10

1.4.1可靠性11

1.4.2可维护性11

1.4.3有效性11

1.4.4安全性12

1.4.5防护性13

1.5实时系统的分类方法13

1.5.1根据应用特性分类13

1.5.2根据计算机应用的设计和实现分类16

1.6实时系统的应用前景17

1.6.1工厂自动化系统17

1.6.2嵌入式实时系统18

1.6.3多媒体系统21

习题22

第2章 实时系统模型化24

2.1合理的抽象24

2.1.1抽象的定义24

2.1.2模型化的目的25

2.1.3假设覆盖率25

2.1.4相关属性26

2.1.5无关细节28

2.1.6系统架构29

2.2任务29

2.2.1任务的分类30

2.2.2任务的逻辑控制与时间控制30

2.2.3任务的事件触发与时间触发33

2.2.4任务的最坏情况执行时间34

2.3状态38

2.3.1状态的定义38

2.3.2基态40

2.3.3数据库组件41

2.4报文41

2.4.1报文的概念41

2.4.2报文结构42

2.4.3事件信息与状态信息43

2.4.4事件触发报文44

2.4.5时间触发报文44

2.5节点45

2.5.1接口特征45

2.5.2链接接口47

2.5.3本地接口47

2.5.4技术独立接口48

2.5.5技术依赖接口48

2.5.6运行接口48

2.5.7网关50

2.6链接接口规范51

2.6.1报文传输规范51

2.6.2报文操作规范52

2.6.3报文元级规范53

2.7节点集成54

2.7.1可组性原则54

2.7.2分级集成55

2.7.3系统的系统56

习题58

第3章 全局时钟同步61

3.1时间与顺序61

3.1.1顺序及其分类61

3.1.2时钟63

3.1.3时钟精密度与时钟准确度65

3.1.4时间标准66

3.2时间测量67

3.2.1全局时间68

3.2.2时间间隔测量69

3.2.3 π/△-领先70

3.2.4时间测量的基本限制71

3.3密集时基与稀疏时基71

3.3.1密集时基72

3.3.2稀疏时基72

3.3.3时空点阵73

3.3.4时间的循环表示形式74

3.4内部时钟同步74

3.4.1同步条件75

3.4.2中央主节点同步算法76

3.4.3分布式容错同步算法77

3.4.4状态修正与速率修正81

3.5外部时钟同步82

3.5.1运行原理82

3.5.2时间格式83

3.5.3时间网关84

3.6 FlexRay系统的分布式时钟同步84

3.6.1时间表示形式84

3.6.2同步进程85

3.6.3时间偏差测量87

3.6.4修正值计算87

3.6.5时钟修正89

习题90

第4章 实时实体与映像92

4.1实时实体92

4.1.1实时实体的控制范围92

4.1.2离散与连续实时实体93

4.1.3实时实体的观测94

4.2实时映像与实时对象95

4.2.1实时映像96

4.2.2实时对象96

4.2.3时间准确性96

4.2.4实时映像的分类99

4.2.5状态估计101

4.3持久性和幂等性102

4.3.1持久性102

4.3.2幂等性104

4.4确定性105

4.4.1确定性的定义105

4.4.2初始状态一致107

4.4.3非确定性设计结构107

4.4.4确定性恢复108

4.5信号的时间和约定109

4.5.1时间的双重作用110

4.5.2数据及其语法约定和语义约定111

4.6过程I/O113

4.6.1模拟I/O113

4.6.2数字I/O114

4.6.3探询采样机制114

4.6.4中断采样机制116

4.6.5容错执行器118

4.6.6智能仪表120

4.6.7紧凑组件120

习题121

第5章 容错123

5.1故障、错误、失效和异常123

5.1.1故障123

5.1.2错误125

5.1.3失效126

5.1.4异常128

5.1.5系统容错与具体应用容错128

5.2错误、失效与异常检测129

5.2.1错误检测129

5.2.2失效检测131

5.2.3异常检测131

5.3失效单元132

5.3.1故障假设133

5.3.2节点作为失效单元135

5.4容错单元137

5.4.1故障静默FCU137

5.4.2三模冗余138

5.4.3拜占庭弹性容错单元140

5.4.4成员资格服务141

5.4.5鲁棒系统结构142

5.5设计多样性143

5.5.1软件版本多样化143

5.5.2系统层次化145

5.6修复节点的恢复146

5.6.1恢复点146

5.6.2基态最小化147

5.6.3节点重启147

习题148

第6章 实时通信150

6.1实时通信的要求150

6.1.1时效性150

6.1.2通信可依赖性151

6.1.3灵活性153

6.1.4实时通信系统的物理结构153

6.2实时通信设计问题154

6.2.1细腰通信模型155

6.2.2物理性能限制156

6.2.3流量控制158

6.2.4猛烈摆动160

6.3事件触发通信161

6.3.1以太网162

6.3.2控制器局域网167

6.3.3用户数据报协议169

6.4速率受限通信171

6.4.1令牌总线协议171

6.4.2微时隙协议ARINC 629180

6.4.3航空电子全双工交换式以太网181

6.4.4音频/视频总线182

6.5时间触发通信183

6.5.1 FlexRay184

6.5.2时间触发协议190

6.5.3时间触发以太网192

6.6物理层192

6.6.1异步/同步通信的特征193

6.6.2数字数据的传输编码193

6.6.3特征元形状194

6.6.4网络拓扑194

习题195

第7章 实时操作系统197

7.1循环调度程序与抢占式多任务操作系统的差异198

7.1.1简单循环调度及其特点198

7.1.2抢占式调度的概念及其特点202

7.1.3使用实时操作系统的原因203

7.2实时操作系统的基本概念204

7.2.1实时操作系统的定义204

7.2.2实时操作系统任务及其状态205

7.2.3实时操作系统的任务控制块207

7.2.4任务到任务的上下文切换208

7.2.5可重入代码209

7.2.6资源与任务同步210

7.3任务管理210

7.3.1时间触发系统的任务管理210

7.3.2事件触发系统的任务管理211

7.4同步、互斥与通信212

7.4.1任务间同步与通信213

7.4.2节点间通信215

7.5中断与时间管理217

7.5.1中断处理217

7.5.2时间管理219

7.6错误检测方法220

7.7实时操作系统实例——OSEK221

7.7.1 OSEK OS222

7.7.2 OSEK实现语言228

7.7.3 AUTOSAR OS对OSEK OS的扩展231

7.7.4 OSEK COM231

7.7.5 OSEK NM234

习题235

第8章 实时调度237

8.1实时调度问题237

8.1.1实时调度算法的分类237

8.1.2可调度性分析240

8.2静态调度246

8.2.1时间在静态调度中的作用247

8.2.2搜索树在静态调度中的应用247

8.2.3静态调度表灵活性的增强方法248

8.3动态调度250

8.3.1独立任务的调度250

8.3.2非独立任务的调度252

8.4其他调度策略256

8.4.1分布式系统的调度问题257

8.4.2反馈调度257

习题258

第9章 系统设计260

9.1系统设计过程260

9.1.1设计问题261

9.1.2系统设计步骤263

9.2系统设计形式265

9.2.1模型化设计265

9.2.2节点化设计266

9.2.3架构设计语言267

9.2.4分解测试268

9.2.5典型开发流程269

9.3安全关键性系统设计271

9.3.1安全性的定义271

9.3.2安全性分析272

9.3.3安全案例273

9.3.4安全标准276

9.4系统安全性分析方法278

9.4.1故障树分析法278

9.4.2失效模式及影响分析286

9.4.3可依赖性的模型化287

9.5可维护性设计287

9.5.1维护成本288

9.5.2维护策略288

9.5.3软件维护289

9.6实时架构项目290

9.6.1SPRING系统290

9.6.2容错多机架构291

9.6.3时间触发架构292

习题297

第10章 系统评估299

10.1测试299

10.2节点化系统测试304

10.3正式方法306

10.4故障注入技术308

10.4.1物理故障注入308

10.4.2软件故障注入311

10.4.3传感器和执行器失效312

习题312

附录A缩写词313

附录B故障树结构单元与符号317

参考文献319