分布式实时系统原理与设计方法

　　实时系统的行为确定性是个艰深的主题，需要对系统全局特性有深入的理解。准确和完整理解这个特性的主要困难在于系统的时域行为，需要在各个抽象层次上开展分析和设计，而这一直是经典的实时系统著作有所欠缺的地方。《分布式实时系统原理与设计方法（原书第2版）/计算机科学丛书》从体系结构层面介绍了分布式实时系统的设计，主要内容包括实时系统环境、简洁性、全局时间、实时模型、时间关系、依赖性、实时通信、能量、实时操作系统、实时调度、系统设计、验证性、物联网以及实时触发体系结构方面的内容。

　　赫尔曼·科佩茨（ Hermann Kopetz），1968年在奥地利维也纳大学获得物理学博士学位，曾在奥地利工业部工作，自1982年以来任教于维也纳理工大学，担任软件工程和实时系统方向的教授。Kopetz教授目前是奥地利科学院院士，IEEE Fellow，Information Society Advisory Group（ISTAG）成员，为欧盟委员会在信息技术领域提供咨询。2007年获得法国Paul Sabatier大学荣誉博士。Kopetz教授是构建可靠嵌入式系统所必须的时间触发技术的理论建立者，也是TTTech公司的联合创始人。他已经发表过100多篇关于嵌入式系统的论文，并在可靠的实时系统领域拥有20多项专利。时间触发技术目前已经部署在领先的自动化和航天应用领域，并已经被NASA用于Orion航天飞船上。
　　
　　吴际，博士，北京航空航天大学计算机学院副教授，中国计算机学会软件工程专业委员会委员。主要研究方向为安全关键系统与软件的建模、验证与评估，软件可靠性与安全性，软件测试以及智能物联网系统等。获得省部级科技进步二等奖2项，北京市教学成果奖一等1项和二等奖1项。发表高水平论文30余篇。
　　
　　龙翔，博士，北京航空航天大学计算机学院教授，博士生导师。CCF体系结构专委会委员。长期从事计算机系统结构和操作系统的教学工作，以及面向领域的计算机体系结构、分布式实时操作系统和安全关键嵌入式实时系统设计等方面的研究工作。
　　
　　尚利宏，博士，北京航空航天大学计算机学院系统结构所副教授。中国计算机学会容错专业委员会委员。主要研究方向为嵌入式系统、容错计算技术、机载计算机体系结构、机载机电系统综合化技术。已发表论文50余篇，其中SCI/EI检索20余篇，获发明专利4项。获北京航空航天大学教学成果一等奖1项，省部级科技进步二等奖1项，省部级科技进步三等奖2项。

出版者的话
译者序
中文版序
前言
第1章　实时环境 1
1.1　实时计算机系统 1
1.2　功能需求 2
1.2.1　数据采集 2
1.2.2　直接数字控制 4
1.2.3　人机交互 4
1.3　时域需求 5
1.3.1　时域需求的出处 5
1.3.2　最小延迟抖动 7
1.3.3　最小错误检测延迟 7
1.4　可信需求 7
1.4.1　可靠性 7
1.4.2　安全性 8
1.4.3　可维护性 8
1.4.4　可用性 9
1.4.5　信息安全 9
1.5　实时系统分类 9
1.5.1　硬实时系统与软实时系统 10
1.5.2　失效安全系统与失效可运作系统 11
1.5.3　响应有保证系统与尽力而为系统 11
1.5.4　资源充分系统与资源受限系统 12
1.5.5　事件触发系统与时间触发系统 12
1.6　实时系统产品的市场分析 12
1.6.1　嵌入式实时系统 13
1.6.2　工厂自动化系统 14
1.6.3　多媒体系统 15
1.7　实时系统典型案例 15
1.7.1　管道流量控制系统 15
1.7.2　发动机控制器 16
1.7.3　自动轧钢系统 17
要点回顾 18
文献注解 19
复习题 19
第2章　简约设计 21
2.1　认知 21
2.1.1　问题求解 21
2.1.2　概念定义 23
2.1.3　认知复杂性 23
2.1.4　简化策略 25
2.2　概念图谱 25
2.2.1　概念形成 25
2.2.2　科学概念 27
2.2.3　消息 27
2.2.4　变量的语义内容 28
2.3　建模的本质 29
2.3.1　目标与视角 29
2.3.2　设计的主要挑战 30
2.4　涌现行为 31
2.4.1　不可约性 31
2.4.2　基础特性和推导特性 31
2.4.3　复杂系统 32
2.5　如何开展简约设计 33
要点回顾 34
文献注解 35
复习题 36
第3章　全局时间 37
3.1　时间和序 37
3.1.1　不同（性质）的序 37
3.1.2　时钟 38
3.1.3　精度和准确度 40
3.1.4　时间标准 41
3.2　时间测量 42
3.2.1　全局时间 42
3.2.2　区间测量 43
3.2.3　π/Δ优先序 44
3.2.4　时间测量的根本局限 45
3.3　稠密时间与稀疏时间 45
3.3.1　稠密时基 46
3.3.2　稀疏时基 46
3.3.3　时空划分 47
3.3.4　时间的周期性表示 48
3.4　内时钟同步 48
3.4.1　同步条件 49
3.4.2　集中式主控同步 50
3.4.3　容错同步算法 51
3.4.4　状态校正与速率校正 53
3.5　外时钟同步 54
3.5.1　外部时间源 54
3.5.2　时间网关 55
3.5.3　时间格式 56
要点回顾 56
文献注解 57
复习题 57
第4章　实时模型 59
4.1　模型概述 59
4.1.1　组件和消息 59
4.1.2　组件集群 60
4.1.3　时域控制与逻辑控制 61
4.1.4　事件触发控制与时间触发控制 62
4.2　组件状态 63
4.2.1　状态的定义 63
4.2.2　袖珍计算器案例 63
4.2.3　基状态 64
4.2.4　数据库组件 66
4.3　消息 66
4.3.1　消息结构 66
4.3.2　事件信息与状态信息 66
4.3.3　事件触发消息 67
4.3.4　时间触发消息 68
4.4　组件接口 68
4.4.1　接口特性 69
4.4.2　链接接口 70
4.4.3　技术独立控制接口 70
4.4.4　技术相关调试接口 70
4.4.5　本地接口 71
4.5　网关组件 71
4.5.1　特性失配 72
4.5.2　网关组件的LIF与本地接口 72
4.5.3　标准化的消息接口 73
4.6　链接接口规格 74
4.6.1　传输规格 74
4.6.2　操作规格 74
4.6.3　元级规格 75
4.7　组件集成 76
4.7.1　可组合性原则 76
4.7.2　集成视角 77
4.7.3　成体系系统 77
要点回顾 79
文献注解 80
复习题 80
第5章　时域关系 82
5.1　实时实体 82
5.1.1　控制范围 82
5.1.2　离散实时实体和连续实时实体 83
5.2　观测 83
5.2.1　不带时间戳的观测 83
5.2.2　间接观测 84
5.2.3　状态观测 84
5.2.4　事件观测 84
5.3　实时镜像与实时对象 85
5.3.1　实时镜像 85
5.3.2　实时对象 85
5.4　时域精确性 86
5.4.1　定义 86
5.4.2　实时镜像的分类 88
5.4.3　状态估计 89
5.4.4　可组合性考虑 90
5.5　持久性和幂等性 90
5.5.1　持久性 90
5.5.2　动作延迟时长 91
5.5.3　精确性时间间隔与动作延迟 92
5.5.4　幂等性 92
5.6　确定性 92
5.6.1　确定性的定义 93
5.6.2　一致的初始状态 95
5.6.3　不确定性设计成分 95
5.6.4　重获确定性 96
要点回顾 97
文献注解 98
复习题 98
第6章　可信性 99
6.1　基本概念 99
6.1.1　故障 100
6.1.2　错误 101
6.1.3　失效 102
6.2　信息安全 104
6.2.1　安全信息流 104
6.2.2　安全威胁 105
6.2.3　加密方法 106
6.2.4　网络身份认证 108
6.2.5　实时控制数据的保护 109
6.3　异常检测 109
6.3.1　什么是异常 109
6.3.2　失效检测 111
6.3.3　错误检测 111
6.4　容错 112
6.4.1　故障假设 113
6.4.2　容错单元 114
6.4.3　成员关系服务 116
6.5　健壮性 117
6.5.1　基本概念 117
6.5.2　健壮系统的结构 118
6.6　组件重集成 118
6.6.1　重集成时间点 119
6.6.2　最小化基状态规模 119
6.6.3　组件重启 120
要点回顾 120
文献注解 122
复习题 122
第7章　实时通信 123
7.1　需求 123

本书适合用作高年级本科生或一年级研究生的实时嵌入式系统（也称为信息物理融合系统）课程的教材，首要目标是系统地介绍相关知识。本书内容划分为14章，正好对应一个学期的14周教学。本书也可作为技术参考书，向工业界的实践者提供实时嵌入式系统设计的现状，以及该领域涉及的基础性概念。从本书第1版出版至今的14年间，维也纳技术大学有超过1000名学生使用该书作为教材来学习实时系统课程。这些学生的反馈和嵌入式实时系统这个动态变化领域的许多新进展，都融入了第2版中。本书关注体系结构层次的分布式实时系统设计。然而我们发现，相当大一部分计算机科学文献都忽略了实时时间的推进，这使得实时系统设计者不掌握这个关键知识的抽象层次就无法开展系统设计工作。因此，物理时间推进是本书中最重要的概念，在此基础上定义很多相关的概念。本书使用大量来自工业界的案例来洞察解释与时间推进相关的基础性概念。本书扩展了分布式实时系统的概念模型，并精确定义了与时间相关的重要概念，如稀疏时间、状态、实时数据的时域精确性和确定性等。
大规模计算机系统的认知复杂性演化是个极为受关注的主题，第2版专门增加了一章来论述简约设计（第2章）。本章采纳了认知领域的一些最新研究发现，包括概念形成、理解、人类的简化策略、模型构建，并形成了有助于简约系统设计的7个原则。在后续的12章中，都围绕这些原则展开论述。另外还新增了两章，分别是第8章和第13章，论述移动设备这一巨大市场中越来越重要的主题。关于第6、7、11、12章都进行了系统性修订，并特别关注基于组件的设计和基于模型的设计。在第6章中，新增了关于信息安全和功能安全的多个小节。第14章介绍了时间触发体系结构，把本书论述的概念整合成连贯一致的框架，用来开发可信嵌入式实时系统。自本书第1版出版以来，在许多应用领域都可以清楚地看到,已经从采用事件触发设计方法学转向采用时间触发设计方法学来设计可信分布式实时系统。
本书假设读者拥有计算机科学或计算机工程方面的背景知识，或者在嵌入式系统设计、实现方面有一些实践经验。
作为不可分割的组成部分，本书最后对贯穿全书的技术术语给出了相应定义。如果读者在阅读过程中不确定某些术语的确切内涵，建议参考术语定义部分。
致谢
无法在这里一一列举所有对本书第2版有贡献的学生、工业界和科学界同行的姓名，他们在过去十几年为本书提出了诸多富有启发的问题或给出了建设性的评论。在完成本书第2版的最后阶段——2010年10月，我在范德堡大学讲授一门由Janos Sztipanovits组织的课程，从听众那里得到了宝贵的意见。在这里要特别感谢Christian Tessarek，他承担了本书的插图设计工作。感谢阅读了部分或全部手稿并提出了许多宝贵修改建议的Sven Bünte、Christian ElSalloum、Bernhard Fr?mel、 Oliver H?ftberger, Herbert Grünbacher、Benedikt Huber、Albrecht Kadlec、Roland Kammerer、Susanne Kandl、Vaclav Mikolasek、Stefan Poledna、Peter Puschner、Brian Randell、Andreas Steininger、Ekarin Suethanuwong、 Armin Wasicek、Michael Zolda，以及来自范德堡大学的学生Kyoungho An、Joshua D. Carl、Spencer Crosswy、Fred Eisele、Fan Qui和 Adam C. Trewyn。