嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] Xiaocong Fan 著，林赐 译

图书标签:

• 嵌入式系统
• 实时系统
• 嵌入式系统设计
• 工程实践
• 操作系统
• 硬件软件协同设计
• 嵌入式编程
• ARM
• C语言
• 嵌入式Linux

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302455592

版次：1

商品编码：12088582

包装：平装

丛书名： 嵌入式系统经典丛书

开本：16开

出版时间：2016-12-01

用纸：胶版纸

页数：530

字数：834000

内容简介

　　《嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践 》融入了实时系统、嵌入式系统和软件工程的新概念和新主题，为开发实时嵌入式应用软件描绘了一幅完整的图像。在本书中，你不仅可以全面地理解与微处理器、中断和系统引导过程相关的概念，领略到实时建模和调度的重要性，而且也将学习建模文档、建模分析、设计模式和标准的一致性等软件工程实践。

　　本书分为四个部分，帮助你学习嵌入式系统的关键概念；第Ⅰ部分介绍了开发过程，包括微处理器和中断章节——这是软件工程师的基本主题；第Ⅱ部分专门介绍了实时系统的建模技术；第Ⅲ部分讨论了软件体系架构的设计；第Ⅳ部分检验了软件的实现，并重点关注POSIX兼容的操作系统。

　　主要特色

　　◆ 涵盖了*新的UML标准(UML 2.4)

　　◆ 超过20种具有代表性，可以在一个非常广泛的实时嵌入式系统系列中重用的*佳的设计模式实践

　　◆ 在QNX中通过测试的示例代码，QNX是在行业中广泛采用的实时操作系统。

　　主要内容

　　◆ 不同嵌入式系统架构的利弊

　　◆ POSIX实时扩展以及如何开发POSIX兼容的实时应用程序

　　◆ 如何使用实时UML记录具有时序约束的系统设计

　　◆ 与跨平台开发相关的概念以及所面临的挑战

　　◆ 多任务设计和任务间通信技术(共享内存对象、消息队列、管道、信号)

　　◆ 如何使用内核对象(如信号量、互斥体、条件变量)来解决RTOS应用程序资源共享的问题

　　◆ 支持“资源管理器”这个概念的原理，以及如何使用资源管理器实现虚拟文件系统

　　◆ 实时调度和几个关键算法的基本原则

内页插图

前言/序言

　　嵌入式系统是在一个较大的系统中设计以执行专用功能的电子系统。实时系统为在临界事件的最坏情况下的响应时间提供了保证，同时为非临界事件提供了可接受的一般情况下的响应时间。当实时系统设计成为一个嵌入式组件时，这个组件就称为实时嵌入式系统，此系统广泛地应用在消费、工业、医疗和军事方面。

　　随着我们的日常生活越来越依赖于嵌入式技术，近几年来，对具有开发实时嵌入式软件技能集的工程师的需求大幅增长。结果是，培养学生在嵌入式软件的设计和实现方面的能力变得日益重要。本书专门为高年级本科生或攻读软件工程、计算机工程或相关学科的研究生撰写，但也有益于专注嵌入式软件开发的在职工程师。

　　本书采用了协同合作的方法，引进了实时系统、嵌入式系统和软件开发原则的概念和主题。读者不仅可以深入了解有关微处理器、中断和跨平台开发流程的概念，意识到实时建模和调度的重要性，并且可以得到良好的软件工程实践的训练，这些实践包括建模文档、建模分析、设计模式和系统标准的一致性。

　　本书介绍开发实时嵌入式软件至关重要的三个方面。

　　首先，开发实时嵌入式系统软件涉及许多活动，包括需求规格说明、时序分析、体系架构设计、多任务设计以及跨平台的测试和调试。本书涵盖嵌入式软件开发的全过程，对一些主题进行全面充分的解释，而对另外一些主题则一笔带过(例如，调试和测试)。

　　具体来说，本书系统地介绍各种嵌入式软件架构，专注于实时操作系统，这是在大型实时操作系统中采用的最先进的架构。此外，我们选择性地强调可重复使用的设计解决方案。如表0.1所示，本书介绍许多设计模式，这些设计模式代表了在广泛的实时嵌入式系统中可重用的最佳实践。

　　表0.1 设计模式总结

　　类 别 模 式 名 书 中 位 置

　　ISR ISR-Pattern-min

　　ISR-Pattern-server

　　中断链

　　中断级联

　　中断禁用

　　双缓冲

　　兑现第一个请求 第4.5.1节

　　第4.5.2节

　　第4.5.3节中的图4.7

　　第4.5.4节中的图4.9

　　第4.5.5节中的图4.11

　　第4.5.5节中的图4.12

　　第12.3.2节中的图12.17

　　子类化 抽象-发生

　　泛化层次 第6.3.3节中的图6.25

　　第6.3.4节中的图6.27

　　(续表)

　　类 别 模 式 名 书 中 位 置

　　软件架构 轮询DAS 第12.2.2节中的图 12.10

　　带有中断的轮询 第12.3.2节中的图 12.16

　　FIFO 队列 第12.4.1节中的图 12.20

　　优先级队列 第12.4.2节中的图 12.21

　　串行端口设计模式 第14.2.2节中的图 14.5

　　静态任务调度器 基于时钟

　　基于帧

　　计时轮 第15.2节

　　第15.3节

　　第22.3节

　　信号量/互斥体 会合同步模式

　　多实例资源保护模式 第18.3.1节中的图 18.8

　　第18.4.1节中的图 18.19

　　条件变量 栅栏同步模式

　　生产者-消费者模式

　　读-写锁模式 第18.5.1节中的图 18.24

　　第18.5.2节中的图 18.27

　　第18.5.3节中的图 18.30

　　消息队列 单向排队模式 第19.3.1节中的图 19.5

　　确认-单向排队模式

　　双向排队模式 第19.3.2节中的图 19.6

　　第19.3.3节中的图 19.7

　　客户端-服务器排队模式 第19.3.4节中的图 19.10

　　管道 单向管道模式

　　双向管道模式 第20.3节中的图 20.4

　　第20.3节中的图 20.4

　　死锁避免 分层消息传递模式 第21.7.3节中的图 21.8

　　DAS，检测-确认-服务；FIFO，先进先出；ISR，中断服务例程

　　其次，统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)是用于指定、可视化、构造和文档化软件系统的图形语言。在各种工程问题中，从单进程的嵌入式系统和单机用户应用程序到并发分布式系统，UML都发挥着重大的作用。本书详细描述编写本书时最新的UML标准：UML 2.4。整本书中，UML图同时用于系统设计和概念说明。特别是，我们详细介绍了UML实时配置文件，这样学生可以学习如何以专业的方式记录他们的实时系统设计。

　　另外，POSIX(即“可移植操作系统接口”)是开放性的操作系统接口标准，在各种Unix操作系统变体之间用于开发互操作性和可移植性好的应用程序。构建在实时操作系统上的软件系统可以很容易地移植到其他POSIX兼容的操作系统上。

　　本书使用的是POSIX.1-2008(2013年版)。本书中涵盖的操作系统实现和概念与POSIX.1 -2008标准完全兼容。书中提供的示例代码已在工业界广泛采用的操作系统QNX中测试。由于QNX是POSIX兼容的，因此在不改变源代码的情况下，也可以在另一个POSIX兼容的操作系统中编译并执行程序。

　　简单而言，本书由以下4部分组成：

　　● 第Ⅰ部分专门介绍实时嵌入式系统和迭代开发过程的基础知识。虽然我们重点放在软件方面，但完全与底层硬件隔离既不可行、也不可取。由于这个原因，这个部分也包含微处理器和中断两个章节——这是希望构建嵌入式系统软件工程师的基本主题。

　　● 第Ⅱ部分专门讲述实时系统的建模技术。具体来说，我们介绍UML所涵盖的建模工具——UML是在学术界和软件工业中普遍接受的一个标准。此外，我们介绍实时UML——指定系统模型中与实时相关约束的配置文件。全书一致地使用了UML图来说明关键的概念和设计模式。

　　● 第Ⅲ部分专门讨论实时嵌入式系统的软件架构设计。我们开始于通用架构，这带领我们来到了最复杂的架构——实时操作系统。然后，我们的焦点切换到多任务和实时调度——这是每一个实时嵌入式系统设计师都要解决的两个关键问题。

　　● 第Ⅳ部分专门讲解系统实施。我们特别专注于在POSIX兼容的操作系统中可用的机制；这个方法意味着本书中给出的设计/实施模式也适用于其他POSIX兼容的操作系统。

　　这4个部分共有23个章节。在一个学期的课程中，教师可以为学生讲授感兴趣的部分章节。例如，在第3章中，为了在一个或两个课时中完成授课，可以跳过一些微处理器类型。如果在软件工程原则的预修课程中学过UML基础建模概念，那么第6章、第7章和第8章可用于自我阅读的任务或仅用作参考。根据不同的学生对操作系统基本概念的熟悉程度，在第Ⅳ部分中提到的一些主题(例如，消息队列、管道和信号)，教师可以因材施教。

　　为了帮助教师和学生使用这本书，在Elsevier指南网站http://booksite.elsevier.com/ 9780128015070中，我们提供了补充包，其中包括PPT讲义和源代码。扫封底的二维码也可以下载PPT讲义和源代码。

　　在本书中，未能涵盖实时嵌入式系统的每一个重大主题。在决定哪些主题适合软件工程师、哪些需要重点强调、哪些需要省略方面，这已是我能做出的最好判断。对于不同的观点，确实感兴趣的读者可以参考其他课本。

　　鼓励和欢迎来自同行的意见。请随时发送建议到Xiaocong Fan, Behrend College, Pennsylvania State University, Erie, PA 16563, USA (e-mail: xfan@psu.edu)。我期待听到读者使用本书的反馈。

嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践 简介 在日新月异的科技浪潮中，嵌入式系统已成为驱动现代社会运转的无形引擎，渗透于我们生活的方方面面。从智能手机、汽车电子到工业自动化、航空航天，高性能、高可靠性的实时嵌入式系统扮演着至关重要的角色。它们不仅要求强大的计算能力，更对系统的响应速度、时序精确性以及稳定性提出了严苛的要求。本书——《嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践》，正是这样一本深入剖析实时嵌入式系统核心奥秘，并指导读者如何将其转化为实际工程项目的权威指南。 本书旨在为工程师、研究人员和对嵌入式系统充满热情的技术爱好者提供一个全面而深入的学习平台。我们并非仅仅罗列技术名词或堆砌晦涩的理论，而是致力于将复杂的设计理念、关键的工程实践以清晰、系统、易于理解的方式呈现出来。我们相信，真正的理解源于对基础原理的深刻掌握，以及对实际问题的有效解决。因此，本书将从最基础的实时性概念入手，逐步引导读者深入到高级的设计模式和复杂的工程挑战之中。 核心内容概览 本书的结构设计紧凑而逻辑严谨，每个章节都环环相扣，共同构建起一个完整的实时嵌入式系统知识体系。 第一部分：实时嵌入式系统的基石——原理与概念 实时性的本质与分类： 在这一部分，我们将首先厘清“实时性”这一概念的真正含义，它不仅仅是“快”，更关乎“准时”。我们将深入探讨硬实时、软实时以及混合实时的区别与应用场景，帮助读者理解不同应用对实时性要求的多样性。 任务与调度： 实时系统的核心在于如何高效地管理和调度多个并发运行的任务。我们将详细介绍各种经典的实时调度算法，如固定优先级调度、轮转调度、周期性调度等，分析它们的优缺点及其适用范围。此外，我们还将探讨抢占式调度和非抢占式调度机制，以及如何处理任务间的优先级反转和死锁等经典问题。 中断与事件处理： 中断是实时系统响应外部事件的重要机制。本书将详细讲解中断的产生、处理流程，以及中断服务程序的编写规范。我们将重点关注如何最小化中断延迟，并介绍中断嵌套、中断屏蔽等高级技术，以确保系统对突发事件的快速响应。 实时操作系统（RTOS）的角色： RTOS 是构建复杂实时嵌入式系统的基石。我们将深入剖析 RTOS 的核心组件，包括任务管理、信号量、互斥锁、消息队列、事件标志等。通过具体的代码示例，读者将学会如何利用 RTOS 的强大功能来管理任务、实现任务间的通信与同步，从而构建出结构清晰、易于维护的系统。 时序分析与保证： 保证系统的实时性不仅仅是编写代码，更需要进行严谨的时序分析。本书将介绍如何进行最坏情况分析（WCET），以及如何利用时序工具来验证和优化系统的实时性能。我们将探讨诸如截止时间（Deadline）的概念，以及如何设计能够满足严格时序要求的系统。 第二部分：深入设计——关键技术与方法 内存管理： 嵌入式系统通常面临资源受限的问题，高效的内存管理至关重要。我们将讨论静态分配、动态分配、内存池等多种内存管理策略，并分析它们在实时系统中的适用性。特别会关注如何避免内存碎片化以及如何处理内存泄漏等问题。 通信与互联： 实时嵌入式系统往往需要与其他设备或系统进行高效、可靠的通信。本书将详细介绍各种常用的嵌入式通信协议，如 SPI、I2C、UART、CAN、Ethernet 等，并结合实际应用场景，讲解如何设计和实现高效的通信接口。 驱动程序开发： 硬件驱动程序是连接软件与硬件的桥梁。我们将深入讲解嵌入式设备驱动程序的开发原则，包括硬件接口的抽象、中断处理、DMA（直接内存访问）的应用等，帮助读者掌握编写高效、稳定的设备驱动程序。 功耗管理： 在许多嵌入式应用中，功耗是关键的制约因素。本书将探讨各种低功耗设计技术，如时钟门控、电源门控、睡眠模式等，以及如何在保证实时性的前提下实现最优的功耗管理。 可靠性与容错设计： 实时嵌入式系统尤其强调系统的可靠性，尤其是在航空、医疗等关键领域。我们将介绍如何通过冗余设计、错误检测与纠正（EDAC）、看门狗定时器等技术来提高系统的容错能力，确保系统在异常情况下依然能够稳定运行。 第三部分：工程实践——从理论到落地 嵌入式硬件平台选择： 不同的应用场景需要不同的硬件平台。本书将指导读者如何根据项目需求，从微控制器（MCU）、微处理器（MPU）到 FPGA 等，选择最合适的硬件平台，并分析不同平台的技术特点和生态系统。 开发环境与工具链： 掌握高效的开发工具链是嵌入式开发的关键。我们将介绍交叉编译、调试器、仿真器、逻辑分析仪等常用的开发工具，并分享一些提高开发效率的技巧。 软件架构与模块化设计： 良好的软件架构是构建大型、复杂嵌入式系统的基础。本书将介绍分层架构、面向对象设计等软件工程方法在嵌入式系统中的应用，以及如何进行模块化设计，提高代码的可重用性和可维护性。 测试与验证： 严格的测试与验证是确保嵌入式系统质量的重要环节。我们将详细介绍单元测试、集成测试、系统测试等不同层级的测试方法，并重点讲解如何在实时环境中进行性能测试和压力测试。 案例分析与项目实践： 为了让读者更好地理解书中的理论知识，我们将提供一系列精心设计的案例分析，涵盖不同领域的典型嵌入式应用，例如智能家居、汽车电子、工业控制等。这些案例将引导读者将所学知识融会贯通，并运用到实际的项目开发中。 本书的特色与价值 理论与实践的深度融合： 本书并非止步于理论概念的介绍，而是将原理、方法论与实际工程经验紧密结合。每一个设计原则的提出，都伴随着具体的工程实践指导，让读者能够学以致用。 循序渐进的学习路径： 从基础概念到高级技术，再到工程实践，本书提供了一条清晰的学习路径，适合不同层次的读者。即使是初学者，也能在本书的引导下逐步建立起完整的知识体系。 丰富的实例与代码片段： 为了加深理解，本书穿插了大量的代码片段和详细的图示，帮助读者直观地掌握各种技术细节。 面向未来的视野： 实时嵌入式系统是一个不断发展的领域，本书不仅涵盖了经典的核心技术，也对未来可能的发展方向进行了展望，为读者提供前瞻性的思考。 权威的参考价值： 本书由在嵌入式系统领域拥有深厚积淀的专家倾力打造，内容严谨、准确，是您在实时嵌入式系统开发过程中的宝贵参考。 适用读者 嵌入式系统工程师： 无论您是初入职场的工程师，还是经验丰富的资深开发人员，本书都能为您提供最新的技术知识和实用的工程技巧。 计算机科学与工程专业的学生： 本书是学习实时嵌入式系统原理和开发的理想教材，能够帮助您打下坚实的基础，为未来的职业生涯做好准备。 项目经理与技术管理者： 了解实时嵌入式系统的设计原则和工程实践，有助于您更好地规划项目、管理团队，并做出明智的技术决策。 对嵌入式技术充满好奇的技术爱好者： 如果您对让设备“智能化”并实现精确响应的技术感到好奇，本书将带您走进一个充满挑战与乐趣的世界。 结语 在瞬息万变的科技时代，掌握实时嵌入式系统的核心技术，意味着掌握了驱动未来创新的关键力量。《嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统 设计原则与工程实践》不仅仅是一本书，更是您在实时嵌入式系统开发征途上的忠实伙伴和智慧之源。我们期待本书能点燃您的灵感，赋能您的创新，并帮助您在这一充满活力和机遇的领域取得卓越成就。

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我是一名刚入行不久的嵌入式软件工程师，在学校里学到的知识和工作中接触到的项目之间总感觉有一段差距。朋友推荐我来看这本《实时嵌入式系统设计原则与工程实践》，说这是业内公认的“硬核”读物。拿到书后，我首先被它严谨的学术风格和清晰的逻辑结构所折服。它从基础概念讲起，逐步深入到实时操作系统（RTOS）的核心机制、通信协议、以及各种设计模式。这本书最让我印象深刻的是，它没有回避现实世界中嵌入式系统开发的复杂性。比如，书中关于多任务同步、死锁预防、以及如何处理优先级翻转等经典难题，都给出了非常详尽且实用的分析和解决方案。这对于我这样一个需要快速成长的工程师来说，无疑是雪中送炭。我曾经在项目中遇到过类似的并发问题，当时花费了大量时间去调试，现在回想起来，如果当初能掌握书中提到的这些方法，就能事半功倍。而且，这本书不仅仅是教你“怎么做”，更重要的是教你“为什么这么做”，它会深入剖析每种设计选择背后的权衡和考量，这对于培养工程师的独立思考能力非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我一开始买这本书，主要是看中了“经典丛书”这几个字，想着市面上这么多关于嵌入式的书，经典的肯定错不了。拿到手之后，确实感觉到它的分量，不光是厚度，更是内容的厚度。这本书的独特之处在于，它没有把重心放在某个具体的硬件平台或者某个特定的操作系统上，而是从更普适的设计原则层面去讲解实时嵌入式系统的方方面面。我尤其喜欢书中对“实时性”的深入探讨，从理论定义到量化指标，再到如何通过系统设计和算法优化来保证实时性能，这些内容对于理解一个嵌入式系统是否“好用”至关重要。它教会我如何从系统整体的角度去思考问题，而不是仅仅纠结于某个代码细节。而且，书中的一些工程实践章节，比如关于可靠性设计、功耗优化、以及系统调试与验证的论述，都非常贴合实际工作中的痛点。我之前在项目调试时经常会遇到一些难以捉摸的问题，现在回过头来看，这本书里的一些方法论和思路，完全可以帮助我更早地发现和规避这些风险。它不仅仅是知识的传递，更是思维方式的引导，让我学会如何去构建一个健壮、高效、可维护的嵌入式系统。

评分☆☆☆☆☆

我是一个对嵌入式系统充满好奇心的学生，但很多市面上的书籍要么太偏重理论，要么太偏重某个工具，让我觉得学习起来很吃力，而且不知道如何将知识应用到实际项目中。朋友推荐了我这本《嵌入式系统经典丛书：实时嵌入式系统设计原则与工程实践》，说这是学习嵌入式系统绕不开的一本书。拿到书后，我感觉它像是一扇通往真正嵌入式世界的大门。这本书没有一开始就抛出大量的代码，而是先从“为什么”和“是什么”开始，详细地讲解了实时嵌入式系统的概念、特性以及它在现代科技中扮演的角色。我特别喜欢书中关于“实时性”的讲解，不再是简单的几个关键词，而是从时间约束、调度算法、到系统响应等方面进行了深入的剖析，让我对“实时”有了更深刻的理解。而且，书中还结合了很多实际的例子，比如汽车电子、工业控制等，让我能够直观地感受到这些设计原则是如何体现在我们身边的产品中的。虽然有些章节的内容对我这个初学者来说还有些挑战，但我相信，随着我学习的深入，这本书一定会成为我解决实际问题、提升编程能力的最有力的工具。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样一名有着一定年头经验的嵌入式开发者来说，市面上大部分的书籍往往流于表面，要么是某个特定芯片的开发指南，要么是某个RTOS的API介绍。真正能够从系统设计层面去剖析问题，并且具备长远指导意义的书籍却不多。这本书恰恰填补了我的这种需求。它并非关注某个具体的工具或技术，而是着眼于“设计原则”和“工程实践”，这正是经验积累过程中最宝贵的财富。书中对于如何构建一个可扩展、可维护、高性能的实时嵌入式系统的论述，让我受益匪浅。我尤其欣赏它对不同架构和设计模式的对比分析，帮助我理解在不同场景下，哪种选择更优。而且，书中关于系统级调优、性能瓶颈分析、以及容错与故障恢复策略的章节，都充满了实战智慧。这些内容不是靠读手册就能掌握的，而是需要通过大量的项目经验来提炼。这本书就像一位经验丰富的老前辈，将他的“武功秘籍”毫无保留地传授出来，让我得以站在巨人的肩膀上，更清晰地看到未来嵌入式系统发展的方向。

评分☆☆☆☆☆

这本书，我是在一个朋友的推荐下入手的，他是一名经验丰富的嵌入式工程师，跟我说这套丛书是他们当年入门时的“圣经”。我平时也接触一些嵌入式项目，但总觉得基础不够扎实，理论和实践之间总隔着一层窗户纸。拿到这本《实时嵌入式系统设计原则与工程实践》后，翻开目录，就被它的系统性和深度所吸引。它不像市面上很多零散的教程，而是从一个非常宏观的视角切入，将实时嵌入式系统的设计理念、核心原则以及在实际工程中会遇到的各种挑战都娓娓道来。我最欣赏的是它并非仅仅罗列枯燥的理论，而是大量地结合了实际案例和工程经验，让你在学习理论的同时，也能体会到如何在复杂的现实环境中落地。比如，书中关于任务调度、中断处理、资源管理这些基础但又至关重要的章节，讲解得既清晰又透彻，让我对这些概念有了前所未有的理解。我甚至发现，一些我之前遇到的棘手问题，在这本书里都能找到相应的解决方案思路。而且，它的语言风格非常严谨，但又不失可读性，不会让非专业读者望而却步。我感觉这不仅仅是一本书，更像是一位资深导师在悉心传授他的宝贵经验。

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很好的的一次购买，下次再剁手！

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很不错的书，值得购买

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买来送给朋友的，希望朋友喜欢，经常在京东买东西，很方便。

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看看对写专硕论文有没有帮助的部分。

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好

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嵌入式经典书籍，非常实用。

评分☆☆☆☆☆

挺好挺好挺好挺好挺好