Formal Techniques in Real-Time and Fault-Tolerant Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Ftrtft 200 (2000 Pune, India)/ Joseph, Mathai (EDT)/ Joseph, Mathai

出品人:

页数:303

译者:

出版时间:

价格:69.95

装帧:Pap

isbn号码:9783540410553

丛书系列:

图书标签:

• 形式化方法
• 实时系统
• 容错系统
• 形式验证
• 模型检测
• 嵌入式系统
• 可靠性工程
• 系统设计
• 软件工程
• 并发性

《嵌入式系统设计与安全实践》 内容概述： 本书深入探讨了现代嵌入式系统设计所面临的关键挑战，并提供了系统性的解决方案和实践指导。随着物联网、自动驾驶、航空航天以及医疗设备等领域对嵌入式系统的依赖日益加深，确保其可靠性、安全性和实时性变得至关重要。本书旨在为工程师、研究人员和高级学生提供一套全面的知识框架，帮助他们掌握构建安全、高效且响应迅速的嵌入式系统的核心原则和先进技术。 全书围绕嵌入式系统的生命周期展开，从需求分析、架构设计，到软件开发、硬件集成，再到测试验证和部署维护，层层递进。本书强调的不仅仅是单一的技术点，而是将各个环节有机地结合起来，形成一个完整的、可落地的设计与安全实践体系。 第一部分：嵌入式系统基础与架构设计 本部分首先回顾了嵌入式系统的基本概念，包括其定义、特性、常见应用领域以及与通用计算机系统的区别。接着，本书着重讲解了嵌入式系统架构的设计方法。读者将学习如何根据应用需求选择合适的处理器、内存、I/O接口以及通信协议。我们将深入探讨不同的架构模式，如面向任务的架构、面向事件的架构以及面向对象的架构，并分析它们在不同应用场景下的优劣。此外，本书还将介绍面向特定领域的嵌入式系统架构，例如实时控制系统、分布式嵌入式系统和低功耗嵌入式系统。 第二部分：实时性保障技术 实时性是许多嵌入式系统设计的核心要求。本部分将全面介绍实现和验证系统实时性的关键技术。我们将从实时操作系统的（RTOS）原理入手，深入剖析任务调度算法（如优先级固定调度、轮转调度、最早截止期调度等），以及中断处理机制、定时器管理和同步互斥机制。本书还将讨论如何进行实时性分析，包括静态分析技术和动态分析技术，例如最坏情况执行时间（WCET）的估算和分析。对于对严格实时性有要求的系统，本书还会介绍确定性执行模型和硬件加速技术。 第三部分：系统可靠性与容错机制 在面临硬件故障、软件错误或环境干扰时，嵌入式系统必须能够维持其功能或优雅地降级。本部分致力于讲解提升系统可靠性和实现容错的策略。我们将讨论冗余技术，如硬件冗余（N+1冗余、双机热备等）和软件冗余（如信息冗余、时间冗余）。本书还将深入研究错误检测、隔离和恢复（EDR）机制，包括校验和、看门狗定时器、内存保护单元（MPU）以及各种故障注入和故障模拟技术。此外，对于需要极高可靠性的系统，本书还将探讨故障安全（Fail-Safe）和故障容忍（Fail-Operational）的设计理念，以及相关的硬件和软件实现方法。 第四部分：嵌入式系统安全性设计与防护 随着网络连接的嵌入式设备数量激增，安全性已成为不容忽视的挑战。本部分将全面覆盖嵌入式系统的安全设计原则、威胁模型以及防护措施。我们将从基础的密码学原理（对称加密、非对称加密、哈希函数）讲起，并探讨如何在嵌入式环境中实现安全通信协议（如TLS/SSL）。本书还将深入讲解身份认证与访问控制机制，以及数据完整性保护技术。对于可能面临恶意攻击的系统，我们将详细介绍安全启动（Secure Boot）、固件更新安全、以及软件沙箱和隔离技术。此外，本书还将讨论硬件安全模块（HSM）的应用，以及如何进行安全漏洞的评估和管理。 第五部分：集成开发、测试与验证 最后，本书将重点放在嵌入式系统的集成开发、测试与验证流程上。我们将介绍嵌入式开发工具链，包括交叉编译、调试器和仿真器。读者将学习如何有效地进行单元测试、集成测试和系统测试，并了解各种测试方法，如基于模型的测试、模糊测试和验收测试。对于实时性和安全性至关重要的系统，本书将强调形式化方法在验证方面的作用，包括模型检查和定理证明，尽管本书不包含形式化方法本身的内容，但会提及它们在确保系统正确性和安全性中的价值。本书还将探讨如何进行性能分析和功耗优化，以及如何为嵌入式系统的长期维护和升级做好准备。 本书特色： 体系化知识结构： 将嵌入式系统设计与安全实践的各个方面有机串联，形成完整的知识体系。 强调工程实践： 结合大量实际案例和工程经验，提供可操作的设计思路和实现方法。 关注前沿技术： 涵盖了当前嵌入式系统领域最热门和最具挑战性的技术话题。 面向应用设计： 侧重于如何根据具体应用需求，设计出满足性能、可靠性和安全性的嵌入式系统。 注重安全与可靠性： 将安全和可靠性作为贯穿全书的核心主题，而非附加项。 《嵌入式系统设计与安全实践》是一本面向专业工程师和研究人员的实用指南，旨在帮助读者构建更智能、更安全、更可靠的嵌入式系统，以应对日益复杂的应用需求和挑战。

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这本书的叙述风格，与我过去读过的许多工程手册截然不同，它更像是一部哲学思辨录，探讨的是系统可靠性的终极本质。作者对“错误”的定义和分类，就花费了大量篇幅，这种对基础概念的刨根问底，极大地提升了我的思维层次。我发现，书中对非确定性处理的讨论，尤其是在分布式环境下的时间戳同步机制，简直是大师级的精彩演绎。它没有急于给出“最佳实践”，而是深入剖析了每种方法的内在权衡与局限性，这迫使读者必须带着批判性的眼光去审视每一个设计决策。我尤其喜欢其中关于“弱一致性”模型在实时约束下的应用案例，那种在理论完美与工程妥协之间的徘徊与挣扎，被描绘得淋漓尽致。读完这一部分，我对如何设计一个既能保证关键任务执行，又能优雅处理偶发错误的系统，有了更深层次的理解和敬畏。

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这部作品的开篇，我立刻被其深邃的理论基础所吸引。作者在引入核心概念时，采用了非常严谨的数学建模方法，让人感觉仿佛置身于一个纯粹的逻辑世界。书中的图论和状态机分析部分尤为精彩，它不仅仅是对现有技术的梳理，更是在构建一个全新的分析框架。我特别欣赏作者在处理异步系统并发问题时的细腻笔触，对于时序逻辑和模型检验的阐述，清晰而富有洞察力。书中大量的例子都经过精心挑选，它们往往能将抽象的理论完美地落地到实际的实时系统中，比如航空电子设备或高精度机器人控制。阅读过程中，我经常需要停下来，在草稿纸上演算那些复杂的证明过程，这种智力上的挑战感，恰恰是我在寻找的。特别是关于形式化验证工具链的介绍，它提供了一条清晰的路径，指导读者如何将这些高深的理论转化为可操作的工程实践，这种理论与实践的紧密结合，是这本书最宝贵的地方。

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与其他侧重于“如何使用”特定工具的书籍不同，这部作品的价值在于它探究了“为什么”这些技术是有效的。作者对形式化规范语言（如LTL和CTL）的介绍，不是简单地罗列语法，而是深入探讨了它们背后的逻辑完备性和表达能力限制。我欣赏作者在讨论实时性约束时，引入了对“度量”的深刻见解，即如何量化一个系统的“实时性好不好”。书中关于混合系统（同时包含连续动态和离散事件）的建模部分，虽然篇幅不长，但提供了极具启发性的思路，特别是如何将微分方程的约束融入到状态转移系统中。这本书的图文比例拿捏得恰到好处，复杂的数学推导和清晰的系统框图交替出现，使得那些原本可能枯燥的理论变得可视化和易于理解。总而言之，这是一部能真正提升一个工程师对系统可靠性认知上限的著作。

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坦率地说，这本书的阅读体验是相当“硬核”的，它绝对不是一本可以轻松翻阅的入门读物。对于那些初次接触形式化方法的工程师来说，前几章可能会构成一个不小的障碍，那些密集的符号和公理定义，需要极大的耐心去消化。然而，一旦跨越了初始的门槛，你会发现作者构建了一个极其坚固且自洽的知识体系。书中对资源竞争和死锁预防的章节，采用了非常独特的基于“时间预算”的调度算法分析方法，这让我对传统的优先级反转问题有了全新的视角。我尝试将书中的一个案例——一个多核嵌入式系统的安全启动协议——用我公司现有的工具链进行模拟验证，发现书中提供的形式化模型，能更精确地捕捉到我们系统中那些难以察觉的竞态条件。这种深度和精确度，在市面上其他同类书籍中是极为罕见的，它真正体现了“形式化”的强大力量。

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这本书的编排结构堪称教科书级别的典范，每一章的逻辑递进都像是精心设计的阶梯，层层深入，绝不跳跃。特别是关于故障注入和容错策略的章节，作者没有停留在理论的层面，而是详细展示了如何构建一个能够模拟硬件故障和软件错误的测试平台。书中对硬件抽象层（HAL）的建模方法，清晰地揭示了软件逻辑如何依赖于底层的时序保证，这一点对于开发高可靠性驱动程序至关重要。我发现，作者在处理错误恢复机制时，采用了一种“可逆操作序列”的设计哲学，这极大地简化了系统状态的回溯和一致性检查。这种注重可维护性和可验证性的设计理念，贯穿全书，让人不禁反思过去那些仅仅追求功能实现的粗放式开发模式。阅读本书，不仅是学习技术，更是一种对软件工程严谨性的再教育。

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