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出版者:清華大學齣版社

作者:(美)Wind Rier 王金剛

出品人:

頁數:261

译者:

出版時間:2003-9

價格:24.00元

裝幀:

isbn號碼:9787302068235

叢書系列:

圖書標籤:

• VxWorks
• 網絡編程
• 嵌入式係統
• 實時操作係統
• TCP/IP
• 套接字編程
• 網絡協議
• Wind River
• 開發指南
• C語言

嵌入式係統實時操作係統技術深度解析 麵嚮對象： 嵌入式係統開發者、實時操作係統（RTOS）內核工程師、係統級軟件架構師、以及希望深入理解現代嵌入式設備底層運行機製的高級技術人員。 本書核心聚焦： 本書旨在全麵、深入地剖析現代嵌入式係統中最關鍵的軟件基礎設施——實時操作係統（RTOS）的技術原理、設計哲學、高性能實現策略以及高級應用技巧。它並非針對特定供應商的操作係統進行操作手冊式的介紹，而是著重於跨平颱、跨架構的通用RTOS核心概念進行理論構建與實踐驗證。 --- 第一部分：實時操作係統的基礎理論與架構設計（構建堅實的地基） 本部分將從根本上確立對“實時性”的理解，並探討構建一個健壯RTOS所必需的底層架構模式。 第一章：實時性與確定性分析 實時係統的定義與分類： 嚴格區分硬實時、軟實時和有界非實時係統。探討係統延遲的量化指標，如最大延遲時間（Worst-Case Execution Time, WCET）的估算與邊界分析。 時間約束下的資源管理： 探討任務調度如何確保時間約束的滿足。引入周期性任務集的理論模型，如利用率分析和截止時間（Deadline）的可達性測試。 中斷驅動架構的原理： 深入解析中斷服務程序（ISR）的設計原則，包括上下文保存與恢復機製，以及ISR與內核態（Kernel Mode）通信的同步機製，重點關注中斷延遲的最小化技術。 第二章：內核核心組件的抽象與實現 進程/任務模型的多樣性： 對比傳統綫程模型與輕量級任務模型（如信號量驅動模型）的優劣。詳細闡述任務控製塊（TCB）的結構設計，及其在係統切換中的作用。 內存管理單元（MMU/MPU）在RTOS中的角色： 探討如何利用內存保護單元（MPU）實現任務間的內存隔離，而非依賴完整的MMU。分析靜態內存池、動態內存分配器（如夥伴係統、邊界標簽法）在資源受限環境下的優化策略。 係統調用（Syscall）的機製與性能開銷： 詳細解析用戶態請求內核服務的整個流程，包括模式切換（Mode Switching）、寄存器狀態的保存與恢復，以及如何設計高效的係統調用接口。 --- 第二部分：高級調度算法與同步機製的精細控製（性能與效率的博弈） 本部分是本書的理論核心，專注於如何通過先進的調度策略和精確的同步機製，最大化係統的吞吐量並保障時間敏感性。 第三章：前瞻性調度策略的深度剖析 固定優先級調度（FPS）的局限性與擴展： 詳細分析速率單調（Rate Monotonic, RM）算法和截止時間單調（Deadline Monotonic, DM）算法的理論基礎和實際應用限製。 動態優先級與公平性： 深入研究最早截止時間優先（Earliest Deadline First, EDF）調度算法的理論優勢，特彆是其在動態負載下的最優性。同時，討論EDF在實際內核中實現時所麵臨的上下文切換開銷問題。 多核（Multi-core）RTOS調度模型： 探討全局調度（Global Scheduling）與分區調度（Partitioned Scheduling）的優劣。分析負載均衡（Load Balancing）機製在保障實時性前提下的實現技術，以及緩存一緻性對調度性能的影響。 第四章：並發控製與資源保護的藝術 臨界區保護的代價分析： 對比傳統的原子操作、鎖（Mutex）與信號量在不同場景下的性能錶現。 優先級繼承與優先級天花闆協議： 詳細推導和演示優先級反轉（Priority Inversion）問題及其解決機製。分析這些協議在引入同步開銷和增加係統復雜度方麵的權衡。 無鎖（Lock-Free）與等待無關（Wait-Free）數據結構： 探討如何利用硬件原語（如CAS/LL/SC指令）構建高性能的隊列、棧和哈希錶，以消除傳統鎖機製帶來的死鎖和優先級劫持風險。 --- 第三部分：通信、I/O與係統服務的高效集成（連接世界的橋梁） 實時係統並非孤立運行，本部分著重於如何安全、快速地處理外部通信和設備交互。 第五章：IPC（進程間通信）的高效實現 消息傳遞機製的架構選擇： 區分基於緩衝區的消息隊列和基於直接傳遞的消息機製。分析消息拷貝（Copying）與零拷貝（Zero-Copy）在係統性能上的差異。 事件和信號的異步通知： 探討事件標誌組、信號量的底層實現，以及它們如何與調度器協同工作，以最小延遲喚醒等待的任務。 麵嚮實時性的網絡棧設計： 探討如何裁剪和優化TCP/IP或特定嵌入式網絡協議棧（如CAN、EtherCAT）的內核集成點，以確保數據包處理延遲的確定性。 第六章：設備驅動模型與高性能I/O DMA（直接內存訪問）的集成： 詳細解析DMA控製器的工作原理，以及RTOS內核如何管理DMA通道的分配、傳輸描述符的構建和中斷反饋。重點關注DMA緩衝區的一緻性（Cache Coherency）處理。 中斷與延遲（Latency）的權衡： 探討下半部（Bottom Half）機製（如軟中斷、Tasklets）的設計目的，以及何時將工作從快速的ISR轉移到慢速的內核綫程中執行。 虛擬文件係統（VFS）在嵌入式環境中的輕量化： 探討如何針對Flash或eMMC等存儲介質，設計適用於資源受限環境的精簡I/O抽象層。 --- 第四部分：固件質量、調試與性能調優（從理論到實戰） 本部分麵嚮係統集成和調試階段，提供確保代碼質量和係統穩定性的方法論。 第七章：內核啓動、自檢與可靠性 Bootloader與內核的協同： 描述從硬件復位到操作係統接管控製權的完整流程，包括初始化CPU、MMU/MPU、時鍾源和基本外設的過程。 看門狗（Watchdog）與係統恢復： 設計多層次的看門狗機製，包括硬件級、驅動級和應用級的復位策略，以應對不可恢復的錯誤狀態。 固件升級與迴滾策略： 探討A/B分區方案、原子性更新機製，以及在嵌入式環境中實現可靠、安全的OTA（Over-The-Air）或本地固件更新的技術挑戰。 第八章：嵌入式性能分析與追蹤 追蹤機製的構建： 設計高效的內核事件追蹤係統（如基於環形緩衝區或高精度時間戳的日誌），用於記錄關鍵事件序列。 實時性能指標的度量： 教授如何準確測量上下文切換時間、中斷延遲和任務搶占延遲。討論Jitter（抖動）分析在評估係統實時性中的重要性。 負載與壓力測試： 介紹如何構建能夠模擬極端工作負載的測試用例，以暴露潛在的資源競爭、死鎖或內存泄漏問題，確保係統在設計邊界條件下的穩定性。 附錄：架構無關的編程範例 提供一係列高質量的C語言代碼片段和僞代碼，用於演示關鍵數據結構（如雙嚮鏈錶、循環緩衝區）和核心算法（如調度器的時間片輪轉邏輯）的通用實現，這些範例專注於邏輯的清晰性和性能優化，而非特定編譯器的特性。 --- 本書價值： 本書內容聚焦於RTOS背後的“為什麼”和“如何實現”，而非簡單的“如何使用”。讀者通過本書的學習，將能夠獨立設計、評估和優化任何基於實時操作係統的嵌入式軟件架構，從而掌握構建下一代高性能、高可靠性嵌入式係統的核心技能。

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