本书从CPS的视角，围绕嵌入式系统的建模、设计和分析三方面，深入浅出地介绍了设计和实现CPS的整体过程及各个阶段的细节，重点是论述系统模型与系统实现的关系，以及软件和硬件与物理环境的相互作用。第2版增加了两章，第7章覆盖传感器和作动器，强调建模；第17章给出嵌入式系统的安全和隐私方面的基本内容。
本书内容
计算机及软件最常见的用途是在人类消费及日常活动中进行信息处理，我们使用它们来撰写书籍（就像本书）、在互联网上查询信息、通过电子邮件进行通信，以及记录金融数据等。然而，生活中绝大多数的“计算机”并不可见。它们控制汽车的引擎、刹车、安全带、安全气囊以及音频系统；它们将你的声音进行数字编码，进而转换为无线电信号并从你的手机发送到基站；它们控制着微波炉、冰箱以及洗碗机；它们驱动从桌面喷墨打印机到工业大容量打印机等各式打印设备；它们控制工厂车间的机器人、电厂的发电机、化学工厂的生产过程以及城市的交通灯；它们在生物样本中检测细菌，构建人体内部的图像并评估生命体征；它们从太空的无线电信号中寻找超新星及地外智慧生物；它们给予玩具“生命”，使其可以与人进行触觉、听觉的交互；它们控制飞行器及火车，等等。这些“隐蔽”的计算机被称为嵌入式系统（Embedded System），其中所运行的软件则被称为嵌入式软件（Embedded Software）。
尽管嵌入式系统已广泛地存在和应用，但计算机科学在其相对较短的发展历程中仍以信息处理为核心。直到近些年，嵌入式系统才得到研究者越来越多的关注。同样，也是直到近些年，本领域的研究者和机构才日益意识到设计和分析这些系统需要不同的工程技术。尽管嵌入式系统自20世纪70年代就被应用，但这些系统更多时候是被简单地看作小型计算机系统，如何应对资源受限（处理能力、能源、存储空间受限等）是其核心工程问题。由此，设计优化就成为嵌入式系统的工程挑战。由于所有设计都会从优化过程中受益，因此，嵌入式系统学科也就与计算机科学的其他学科没什么区别，只是要求我们更加积极地应用这些共性优化技术。
近来，研究者已经认识到嵌入式系统的主要挑战源自于其与物理进程的交互，而并非资源的限制。美国国家科学基金会（NSF）的项目主管Helen Gill率先提出了“信息物理融合系统”（Cyber-Physical System，CPS）这一概念，以强调计算进程与物理进程的集成。在信息物理融合系统中，嵌入式计算机与网络对物理进程进行监测和控制，且物理进程与计算之间存在着相互影响的反馈环路。为此，该类系统的设计就需要充分理解计算机、软件、网络以及物理进程之间相互关联的动态特性。研究关联的动态特性就使得嵌入式系统有别于其他学科。
在研究CPS的过程中，所谓的通用计算很少涉及的一些关键问题就开始浮现出来。例如，通用软件中，任务执行时间是一个性能指标，而不是正确性指标。过长的任务执行时间并不会引入错误，仅会导致不太方便，也因此价值较低。但对于CPS而言，任务执行时间可能对整个系统的功能正确性非常关键。这是因为，相对于信息世界，物理世界中的时间流逝是无法挽回的。
而且，CPS中很多事件都是同时发生的。物理进程通常由这样一组同时发生的事件所构成，这明显有别于顺序化的软件执行过程。Abelson等（1996）将计算机科学描述为“程序化认识论”，认为这是关于程序的知识。相比较而言，物理世界中的进程很少是顺序化的，而是由诸多并行进程所构成。那么，通过设计影响这些进程的一组动作来评估和控制其动态特性就成为嵌入式系统设计的首要任务。所以，并发性才是CPS的本质，在设计和分析嵌入式软件中存在的诸多技术挑战也都源自于桥接和弥合固有顺序化语义与并发性物理世界的需要。
写作动机
软件与物理世界交互的机制正在发生着快速变化。今天，整个趋势正朝着“智能化”传感器和执行器（或作动器）的方向发展，这些组件搭载了微处理器、网络接口以及可以远程访问传感器数据并激活执行器的软件。无论现在是被称作物联网（IoT）、工业4.0、工业互联网、机器通信（M2M），还是万物互联、智慧地球、万亿传感器（Trillion Sensor）世界、雾计算（Fog，类似于云计算，但更近于地面）等，其发展前景实际上都是深度连接信息世界与物理世界的技术。在物联网领域中，这些“世界”之间的接口都是从信息技术特别是网络技术中获取灵感并演化而来。
物联网接口是非常方便的，但仍然不适合这两个不同世界之间的紧密交互，对于实时控制及安全攸关系统尤其如此。紧密交互仍然要求综合且复杂的底层设计技术。嵌入式软件设计人员被迫投入更多精力来关注中断控制器、内存架构、汇编级编程（以利用特定指令或者精确地控制时序）、设备驱动设计、网络接口以及调度策略等问题，而不是聚焦于具体想要实现的行为。
这些技术（无论顶层还是底层）的庞大体系及复杂度促使我们开设如何掌握这些技术的导论性课程。但是，一门更好的导论课程应该关注如何对软件、网络及物理进程的关联动态特性进行建模和设计，且该类课程仅介绍现今（而不是早期）达成这一目标的技术。本书就是我们针对该类课程所撰写的。
关于嵌入式系统的技术资料大部分都关注使计算机与物理系统实现交互的技术集合（Barr and Massa, 2006; Berger, 2002; Burns and Wellings, 2001; Kamal, 2008; Noergaard, 2005; Parab et al., 2007; Simon, 2006; Valvano, 2007; Wolf, 2000）。其他一些则关注采用计算机科学技术（如编程语言、操作系统、网络等）来处理嵌入式系
爱德华·阿什福德·李（Edward Ashford Lee） 加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系（EECS）罗伯特·S.佩珀（Robert S. Pepper）杰出教授；研究兴趣集中于嵌入式实时计算系统的设计、建模与分析，曾任加州大学伯克利分校电子工程（EE）分部以及电子工程与计算机科学系主任。1979年获得耶鲁大学计算机科学学士学位，1981年获得麻省理工学院（MIT）电气工程与计算机科学硕士学位，1986年获得加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学博士学位。1979年至1982年期间，曾在位于新泽西州霍姆德尔的贝尔实验室任职。他是伯克利设计技术股份有限公司（BDTI）的联合创始人、IEEE会士（IEEE Fellow）、美国国家科学基金会总统青年科学家，并于1997年获得美国工程教育学会的弗雷德里克·埃蒙斯·特曼奖。
桑吉特·阿伦库马尔·塞希阿（Sanjit Arunkumar Seshia） 加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系教授；研究兴趣集中于可信计算、计算逻辑和形式化方法及其在嵌入式系统、计算机安全、电子设计自动化以及合成生物学等领域问题中的应用；于印度理工学院孟买分校获得计算机科学与工程学士学位，于卡内基-梅隆大学（CMU）获得计算机科学硕士和博士学位。他曾获美国青年科学家与工程师总统奖（PECASE）、艾尔弗雷德·P.斯隆研究奖，以及卡内基-梅隆大学计算机科学学院杰出学位论文奖。
出版者的话
译者序
前言
第1章 绪论 1
1.1 应用 1
1.2 启发式示例 4
1.3 设计过程 5
1.3.1 建模 7
1.3.2 设计 8
1.3.3 分析 8
1.4 小结 9
第一部分 动态行为建模
第2章 连续动态 12
2.1 牛顿力学 12
2.2 参元模型 15
2.3 系统特性 17
2.3.1 因果系统 17
2.3.2 无记忆系统 18
2.3.3 线性与时不变性 18
2.3.4 稳定性 19
2.4 反馈控制 19
2.5 小结 22
习题 23
第3章 离散动态 25
3.1 离散系统 25
3.2 状态的概念 28
3.3 有限状态机 28
3.3.1 迁移 29
3.3.2 响应 31
3.3.3 更新函数 32
3.3.4 确定性与接受性 34
3.4 扩展状态机 35
3.5 非确定性 37
3.5.1 形式化模型 38
3.5.2 非确定性的用途 39
3.6 行为与轨迹 39
3.7 小结 41
习题 41
第4章 混合系统 45
4.1 模态模型 45
4.1.1 状态机的参元模型 45
4.1.2 连续输入 45
4.1.3 状态精化 46
4.2 混合系统分类 47
4.2.1 时间自动机 47
4.2.2 高阶动态性 49
4.2.3 监督控制 53
4.3 小结 56
习题 57
第5章 状态机组合 61
5.1 并发组合 62
5.1.1 平行同步组合 63
5.1.2 平行异步组合 64
5.1.3 共享变量 66
5.1.4 级联组合 68
5.1.5 通用组合 70
5.2 分层状态机 70
5.3 小结 72
习题 72
第6章 并发计算模型 75
6.1 模型的结构 75
6.2 同步响应模型 77
6.2.1 反馈模型 78
6.2.2 形式非良好模型与形式良好模型 79
6.2.3 推定一个不动点 80
6.3 数据流计算模型 81
6.3.1 数据流原理 82
6.3.2 同步数据流 84
6.3.3 动态数据流 86
6.3.4 结构化数据流 87
6.3.5 进程网络 88
6.4 时间计算模型 89
6.4.1 时间触发模型 89
6.4.2 离散事件系统 92
6.4.3 时间连续系统 93
6.5 小结 95
习题 95
第二部分 嵌入式系统设计
第7章 传感器与执行器 100
7.1 传感器与执行器模型 101
7.1.1 线性与仿射模型 101
7.1.2 量程 101
7.1.3 动态量程 102
7.1.4 量化 102
7.1.5 噪声 104
7.1.6 采样 105
7.1.7 谐波失真 107
7.1.8 信号调理 108
7.2 一些常用传感器 109
7.2.1 测量倾斜度与加速度 109
7.2.2 测量位置和速度 110
7.2.3 测量旋转 111
7.2.4 测量声音 111
7.2.5 其他传感器 111
7.3 执行器 112
7.3.1 发光二极管 112
7.3.2 电机控制 112
7.4 小结 115
习题 115
第8章 嵌入式处理器 117
8.1 处理器类型 117
8.1.1 微控制器 117
8.1.2 DSP处理器 119
8.1.3 图形处理器 123
8.2 并行机制 123
8.2.1 并行与并发 123
8.2.2 流水线 125
8.2.3 指令级并行 127
8.2.4 多核体系结构 132
8.3 小结 132
习题 132
第9章 存储器体系结构 134
9.1 存储器技术 134
9.1.1 RAM 134
9.1.2 非易失性存储器 135
9.2 存储器分级体系 135
9.2.1 存储器映射 136
9.2.2 寄存器文件 137
9.2.3 暂存器与高速缓存 138
9.3 存储器模型 140
9.3.1 存储器地址 140
9.3.2 栈 141
9.3.3 存储器保护单元 142
9.3.4 动态内存分配 142
9.3.5 C程序的存储模型 143
9.4 小结 143
习题 144
第10章 输入与输出 146
10.1 I/O硬件 146
10.1.1 脉冲宽度调制 147
10.1.2 通用数字I/O 147
10.1.3 串行接口 149
10.1.4 并行接口 151
10.1.5 总线 151
10.2 并发世界中的顺序软件 152
10.2.1 中断与异常 152
10.2.2 原子性 154
10.2.3 中断控制器 155
10.2.4 中断建模 155
10.3 小结 158
习题 158
第11章 多任务机制 163
11.1 命令式程序 163
11.2 线程 166
11.2.1 创建线程 166
11.2.2 实现线程 168
11.2.3 互斥 169
11.2.4 死锁 171
11.2.5 内存一致性模型 172
11.2.6 多线程机制带来的问题 173
11.3 进程与消息传递 174
11.4 小结 177
习题 178
第12章 调度机制 181
12.1 调度基础 181
12.1.1 调度决策 181
12.1.2 任务模型 182
12.1.3 调度器比较 184
12.1.4 调度器的实现 184
12.2 单调速率调度 185
12.3 最早截止期优先调度 187
12.4 调度与互斥 190
12.4.1 优先级翻转 190
12.4.2 优先级继承协议 191
12.4.3 优先级天花板协议 192
12.5 多处理器调度 193
12.6 小结 195
习题 196
第三部分 分析与验证
第13章 不变量与时态逻辑 200
13.1 不变量 200
13.2 线性时态逻辑 201
13.2.1 命题逻辑公式 202
13.2.2 线性时态逻辑公式 203
13.2.3 运用线性时态逻辑公式 205
13.3 小结 206
习题 207
第14章 等价与精化 209
14.1 规格模型 209
14.2 类型等价与精化 209
14.3 语言等价与包含 211
14.4 模拟 215
14.4.1 模拟关系 216
14.4.2 形式化模型 217
14.4.3 传递性 217
14.4.4 模拟关系的非唯一性 218
14.4.5 模拟与语言包含的对比 218
14.5 互模拟
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