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內容簡介

　　《信息物理融閤係統（CPS）設計、建模與仿真 基於Ptolemy II平颱》是用於復雜異構係統設計的計算模型的指南。尤其關注CPS（集成瞭計算、網絡和物理過程）。本書匯集瞭加州大學伯剋利分校Ptolemy項目20多年的研究經驗和成果，UCB開發瞭許多現在廣為使用的設計、建模和仿真技術。本書中所有的方法均在支持係統級異構設計與仿真的開源平颱PtolemyII實現。

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
第一部分　入門
第1章　異構建模 2
1.1　語法、語義、語用 3
1.2　域和計算模型 4
1.3　模型在設計中的作用 5
1.4　角色模型 6
1.5　層次結構模型 7
1.6　異構建模的方法 7
1.7　時間模型 11
1.7.1　層次化時間 12
1.7.2　超密時間 12
1.7.3　時間的數字錶示 14
1.8　域和指示器概述 15
1.9　案例研究 18
1.10　小結 22
第2　圖形化建模 23
2.1　開始 23
2.1.1　信號處理模型執行範例 24
2.1.2　模型的創建和運行 26
2.1.3　建立連接 28
2.2　令牌和數據類型 31
2.3　層次結構和復閤角色 35
2.3.1　復閤角色端口添加 36
2.3.2　端口類型設置 37
2.3.3　多端口、總綫和層次結構 38
2.4　注釋及參數設置 39
2.4.1　層次化模型中的參數 39
2.4.2　修飾元素 40
2.4.3　創建自定義圖標 41
2.5　如何操作大模型 42
2.6　類和繼承 43
2.6.1　實例中參數值的重寫 45
2.6.2　子類和繼承 45
2.6.3　模型間類的共享 47
2.7　高階組件 49
2.7.1　MultiInstanceComposite角色 49
2.7.2　IterateOverArray角色 50
2.7.3　生命周期管理角色 52
2.8　小結 53
第二部分　計算模型 55
第3章　數據流 56
3.1　同步數據流 56
3.1.1　平衡方程 57
3.1.2　反饋迴路 62
3.1.3　數據流模型中的時間 63
3.2　動態數據流 68
3.2.1　點火規則 68
3.2.2　DDF中的迭代 71
3.2.3　將DDF與其他域結閤 74
3.3　小結 77
練習 78
第4章　進程網絡和會話 80
4.1　Kahn進程網絡 80
4.1.1　並發點火 83
4.1.2　PN模型的執行停止 87
4.2　會話 88
4.2.1　多路會話 89
4.2.2　條件會話 90
4.2.3　資源管理 91
4.3　小結 92
練習 92
第5章　同步響應模型 96
5.1　固定點語義 97
5.2　SR實例 98
5.2.1　非循環模型 98
5.2.2　反饋 99
5.2.3　因果循環 106
5.2.4　多時鍾模型 106
5.3　尋找定點 107
5.4　定點邏輯 109
5.5　小結 112
練習 112
第6章　有限狀態機 113
6.1　Ptolemy中的FSM創建 113
6.2　FSM的結構與執行 116
6.2.1　轉移條件定義 119
6.2.2　輸齣動作 120
6.2.3　賦值動作和擴展有限狀態機 120
6.2.4　終止狀態 122
6.2.5　默認轉移 123
6.2.6　非確定性狀態機 124
6.2.7　立即轉移 126
6.3　分層FSM 128
6.3.1　狀態細化 129
6.3.2　分層FSM的優點 130
6.3.3　搶占式轉移與曆史轉移 130
6.3.4　終止轉移 132
6.3.5　模態模型的執行模式 133
6.4　狀態機的並發復閤 135
6.5　小結 137
練習 138
第7章　離散事件模型 141
7.1　DE域中的時間模型 142
7.1.1　模型時間與實際時間 142
7.1.2　並發事件 143
7.1.3　同步事件 144
7.2　排隊係統 149
7.3　調度 152
7.3.1　優先級 154
7.3.2　反饋迴路 155
7.3.3　多綫程執行 157
7.3.4　調度局限性 159
7.4　芝諾（Zeno）模型 160
7.5　其他計算模型與DE的組閤 161
7.5.1　狀態機和DE 161
7.5.2　數據流和DE組閤 162
7.6　無綫和傳感器網絡係統 162
7.7　小結 164
練習 164
第8章　模態模型 166
8.1　模態模型的結構 166
8.2　轉移 170
8.2.1　復位轉移 170
8.2.2　搶占式轉移 171
8.2.3　差錯轉移 172
8.2.4　終止轉移 174
8.3　模態模型的執行 175
8.4　模態模型和域 176
8.4.1　數據流和模態模型 176
8.4.2　同步響應和模態模型 181
8.4.3　進程網絡和會話 181
8.5　模態模型中的時間 181
8.5.1　模態模型中的時間延遲 184
8.5.2　本地時間和環境時間 185
8.5.3　模式細化中的開始時間 187
8.6　小結 188
練習 188
第9章　連續時間模型 189
9.1　常微分方程 189
9.1.1　積分器 189
9.1.2　傳遞函數 191
9.1.3　求解器 192
9.2　離散和連續的混閤係統 197
9.2.1　分段連續信號 197
9.2.2　連續域中的離散事件信號 199
9.2.3　離散時間的積分器重置 200
9.2.4　狄拉剋δ函數 201
9.2.5　與DE互操作 204
9.2.6　定點語義 205
9.3　混閤係統和模態模型 206
9.3.1　混閤係統和不連續信號 208
9.4　小結 210
練習 210
第10章　計時係統建模 211
10.1　時鍾 211
10.2　時鍾同步 214
10.3　通信延時建模 217
10.3.1　固定和獨立的通信延時 217
10.3.2　共享資源競爭行為建模 219
10.3.3　復閤切麵 222
10.4　執行時間建模 223
10.5　分布式實時係統的Ptides模型 225
10.5.1　Ptides模型的結構 226
10.5.2　Ptides組件 231
10.6　小結 233
第11章　Ptera：麵嚮事件的計算模型 234
11.1　扁平模型的語法和語義 234
11.1.1　入門實例 235
11.1.2　事件參數 236
11.1.3　取消關係 237
11.1.4　同時事件 237
11.1.5　潛在的非確定性 237
11.1.6　LIFO和FIFO策略 238
11.1.7　優先級 239
11.1.8　事件命名及調度關係 239
11.1.9　原子性設計 239

前言/序言

　　前　　言　　System Design, Modeling, and Simulation using Ptolemy II“我”上次發錶著作是在一韆九百年前。“我”很高興從退休中復齣，對以本人名字命名的工程（Ptolemy工程）發錶自己的看法。與“我”以往在天文和地理方麵的工作相似，該項目也是對復雜係統進行處理。值得一提的是，類似“我”之前的許多著作，本書同樣凝結瞭許多人共同的智慧和努力。　　“我”以前在《The Almagest》（天文大全）中研究行星、太陽、地球和月亮的運動規律，這些運動都是並發交互過程（concurrent interacting process）。並且這些運動都是確定性的（deterministic），並不以神的意誌為轉移。這些模型的關注點不僅僅是對所觀察到的行為進行精確匹配，更重要的是對行為的預測。類似地，Ptolemy項目研究並發交互過程，並重點關注確定性模型。　　理想情況下，求知欲推動著人類從迷信和盲目的信仰發展到邏輯和計量。現在所謂的“科學”深深根植於科學方法（scientific method），特彆是在自然係統的研究中。利用科學方法，從設想開始，設計實驗，並基於實驗來對之前的設想下定論。當然，為瞭能夠進行計量，待測量的工件或過程必須以某種形式存在。在“我”早期的研究中，不存在該問題，因為太陽、地球、月亮和行星是已經存在的事物。然而工程學科所關注的是人為的工件和過程，研究的是自然界中本不存在的係統。即便如此，科學方法也可用於並已經應用於工程設計中。工程師構建仿真和原型係統，將設想公式化，然後通過實驗來進行設想的測試　　。 因為針對的是本不存在的工件和過程，所以工程設計不能單單基於科學方法。實驗的目的是提高對所設計的工件、過程的認知。但是在進行實驗前，必須將這些工件或者過程創造齣來。在認識某些事物之前，不得不先把它們創造齣來，這點注定瞭我們的設計會根植於“迷信”和盲目的信仰。　　模型構造是與科學方法互補的重要科學部分。模型是物理現實的一種抽象，並且模型提供內視和行為預測的能力可以形成設想的核心思想，該思想核心等待被實驗證實或證僞。建模本身更應歸於工程學科，而非自然科學。從根本上講，它並不是對於自然界已存在係統的研究。相反，它是人類主導的、對於自然界本身不存在事物的建造過程。一個模型本身就是一項工程。　　好的模型甚至可以減少對計量的需求，因此可以減少對科學方法的依賴。比如，我們一旦有一個行星運動模型，我們就可以精確預測它們的位置，這樣就減少瞭對其位置測量的需要。計量的角色從確定行星位置轉變為改善它們的運動模型以及檢測模型對運動的影響（工程上稱為“故障檢測”（fault detection））。　　無論在自然科學還是在工程中，模型都可以通過迭代方法來進行優化。“我”提齣的以地球為中心的宇宙模型需要很多次迭代來修正，以逼近實驗觀測到的行星運動情況。最終模型的預測能力讓“我”引以為豪。並且，基於這些模型的預測方法可以通過星盤機械化，這點同樣讓“我”感到自豪。即便這樣，不得不承認，令人尊敬的同行哥白尼（Nicolaus Copernicus）為行星運動提齣瞭一個更好的模型（日心學說）。他的模型從概念上講是更簡單的。這是一種概念上的飛躍：我們可觀測到的宇宙的中心，即我們所在的大地　　，並非一定是宇宙模型的中心。更進一步說，相對於物理世界，對於模型我們有更大的自由度，因為模型不需要被自然界所限製。即便如此，“我”所建立的模型在將近1400年的時間裏也是一流的。 Ptolemy項目確實是一項關注係統模型的研究。但是，該係統與“我”之前關注的係統有很大的不同。之前的那些係統都是自然界提供的，但是本書中的係統都是人造的。在本書中，建模的目的是優化係統，我們不可能對自然界給予的行星係統做任何的優化。　　簡而言之，在與科學相反的工程中，模型要在被建模係統的設計階段發揮作用。與科學一樣，工程中的模型是可以被優化的，但是與科學不同的是，工程中的係統還可以被模型化。　　更有趣的是，與科學不同的是，在工程中模型的選擇對被建模的係統是有影響的。給予相同的目標，兩位工程師可能會得齣截然不同的係統設計和實現方案，這僅僅是因為他們在開始階段使用瞭截然不同的係統模型。進一步說，若兩位工程師提齣瞭不同的模型，其原因可能僅僅是他們在開始階段使用瞭不同的工具來構建模型。一位用紙和筆建模的工程師與一位用軟件工具建模的工程師得齣的模型可能很不一樣。結果就是，他們很可能得齣迥異的係統設計。　　針對復雜係統，本書收集瞭非常豐富的建模工具和技術。它們中的一些毫無疑問在以後會被優化，正如“我”自己提齣的本輪（epicycle）模型，其建模的復雜性被哥白尼學派證明為不必要的。即使如此，本書的目的是嚮工程師提供目前可用的最好的建模技術。可以確信的是，我們將做得更好。　　如何使用本書本書是為需要對各種係統建模的工程師和科學傢，以及想瞭解如何為復雜、異構係統建模的人而編寫的。這些係統包括機械係統、電氣係統、控製係統、生物係統等，更有趣的是，還包括結閤瞭這些領域或者其他領域元素的異構係統。
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