本书面向嵌入式实时系统,较系统地论述基本的实时调度算法、调度性分析方法,说明引入形式化方法的必要性,并为实时系统设计提供一个清晰的形式化方法基础.其核心是面向实时系统的形
式化分析(formalanalysis)及验证.全书特别列举了大量关于安全关键系统的工程实例,从简单系统(如温度控制系统、面包机和电饭煲)到高度复杂系统(如飞机和航天飞机),通过将上述形式化方法成功应用于这些工程项目,有助于加深读者对嵌入式实时系统分析和验证方法的理解和运用.
本书面向高等院校本科生和研究生,作为“嵌入式系统”、“实时系统”相关专业课程教材或教学参考书使用;也可面向业界从业者和研究人员,作为参考书使用.
第1章 简 介………………………………………………………………………… 1
1．1 什么是时间…………………………………………………………………… 2
1．2 仿 真………………………………………………………………………… 3
1．3 测 试………………………………………………………………………… 4
1．4 验 证………………………………………………………………………… 5
1．5 运行时期监测………………………………………………………………… 5
1．6 相关资源……………………………………………………………………… 6
第2章 非实时系统的分析与验证…………………………………………………… 8
2．1 符号逻辑……………………………………………………………………… 8
2．1．1 命题逻辑………………………………………………………………… 8
2．1．2 谓词逻辑………………………………………………………………… 15
2．2 自动机和语言………………………………………………………………… 22
2．2．1 语言和表示……………………………………………………………… 22
2．2．2 有限自动机……………………………………………………………… 23
2．2．3 非定时系统的规范指定和验证………………………………………… 25
2．3 历史回顾和相关研究………………………………………………………… 29
2．4 总 结………………………………………………………………………… 30
习 题……………………………………………………………………………… 31
第3章 实时调度和调度性分析…………………………………………………… 33
3．1 确定计算时间………………………………………………………………… 34
3．2 单处理器调度………………………………………………………………… 35
3．2．1 独立可抢占任务的调度………………………………………………… 35
3．2．2 不可抢占任务的调度…………………………………………………… 47
3．2．3 带前后次序约束的不可抢占任务……………………………………… 48
3．2．4 周期任务间的通信:确定的会合模型………………………………… 50
3．2．5 带临界区域的周期任务:核心化监测模型…………………………… 51
3．3 多处理器调度………………………………………………………………… 53
3．3．1 调度表示………………………………………………………………… 53
3．3．2 单实例任务调度………………………………………………………… 54
3．3．3 周期任务调度…………………………………………………………… 56
3．4 可用的调度工具……………………………………………………………… 57
3．4．1 PERTS/RAPIDRMA ………………………………………………… 58
3．4．2 PerfoRMAx …………………………………………………………… 59
3．4．3 TimeWiz ……………………………………………………………… 59
3．5 可用的实时操作系统………………………………………………………… 60
3．6 历史回顾和相关研究………………………………………………………… 61
3．7 总 结………………………………………………………………………… 62
习 题……………………………………………………………………………… 67
第4章 有限状态系统的模型检测………………………………………………… 70
4．1 系统规范……………………………………………………………………… 70
4．2 CLARKE EMERSON SISTLA 模型检测器…………………………… 72
4．3 CTL的扩展………………………………………………………………… 76
4．4 应 用………………………………………………………………………… 76
4．5 用C实现的完整的CTL模型检测器程序………………………………… 79
4．6 符号化模型检测…………………………………………………………… 101
4．6．1 二元决策图BDDs …………………………………………………… 101
4．6．2 符号模型检测器……………………………………………………… 104
4．7 实时CTL ………………………………………………………………… 105
4．7．1 最小和最大延迟……………………………………………………… 105
4．7．2 条件发生的最小和最大数量………………………………………… 107
4．7．3 非单位转移时间……………………………………………………… 108
4．8 可用的工具………………………………………………………………… 109
4．9 历史回顾和相关研究……………………………………………………… 110
4．10 总 结……………………………………………………………………… 112
习 题……………………………………………………………………………… 114
第5章 可视形式化、状态图和STATEMATE …………………………………… 116
5．1 状态图……………………………………………………………………… 117
5．1．1 状态图的基本功能…………………………………………………… 117
5．1．2 语 义………………………………………………………………… 120
5．2 活动图……………………………………………………………………… 121
5．3 模块图……………………………………………………………………… 121
5．4 STATEMATE …………………………………………………………… 122
5．4．1 形式语言……………………………………………………………… 122
5．4．2 信息检索和文档……………………………………………………… 122
5．4．3 代码的执行和分析…………………………………………………… 122
5．5 可用的工具………………………………………………………………… 123
5．6 历史回顾和相关研究……………………………………………………… 124
5．7 总 结……………………………………………………………………… 125
习 题……………………………………………………………………………… 126
第6章 实时逻辑、图论分析与模式图…………………………………………… 127
6．1 规范和安全声明…………………………………………………………… 127
6．2 事件动作模型……………………………………………………………… 128
6．3 实时逻辑…………………………………………………………………… 128
6．4 限制性RTL公式………………………………………………………… 130
6．5 不可满足性的检测………………………………………………………… 133
6．6 高效的不可满足性检测…………………………………………………… 134
6．7 工业例子:美国航空航天局X 38机组返回舱………………………… 137
6．7．1 X 38航空电子体系结构…………………………………………… 137
6．7．2 时序特性……………………………………………………………… 138
6．7．3 使用RTL进行时序和安全分析…………………………………… 138
6．7．4 RTL规范……………………………………………………………… 138
6．7．5 将RTL表示转化成Presburger算术……………………………… 142
6．7．6 约束图的分析………………………………………………………… 145
6．8 模式图规范语言…………………………………………………………… 145
6．8．1 模 式………………………………………………………………… 146
6．8．2 转 移………………………………………………………………… 147
6．9 验证模式图规范的时间属性……………………………………………… 148
6．9．1 系统运算……………………………………………………………… 148
6．9．2 运算图………………………………………………………………… 149
6．9．3 时间属性……………………………………………………………… 149
6．9．4 节点之间的最小和最大距离………………………………………… 150
6．9．5 终点和间隔的排除与纳入…………………………………………… 151
6．10 可用的工具………………………………………………………………… 152
6．11 历史回顾和相关研究……………………………………………………… 152
6．12 总 结……………………………………………………………………… 152
习 题……………………………………………………………………………… 155
第7章 利用时间自动机进行验证………………………………………………… 158
7．1 Lynch Vaandrager自动机理论方法…………………………………… 158
7．1．1 定时执行……………………………………………………………… 159
7．1．2 定时轨迹……………………………………………………………… 159
7．1．3 时间自动机的组合…………………………………………………… 160
7．1．4 MMT自动机………………………………………………………… 160
7．1．5 验证技术……………………………………………………………… 161
7．1．6 通过仿真证明时间界限……………………………………………… 163
7．2 AlurＧDill自动机理论方法………………………………………………… 163
7．2．1 非定时轨迹…………………………………………………………… 164
7．2．2 定时轨迹……………………………………………………………… 164
7．2．3 Alur Dill时间自动机……………………………………………… 167
7．3 Alur Dill域自动机和验证……………………………………………… 169
7．3．1 时钟域………………………………………………………………… 170
7．3．2 域自动机……………………………………………………………… 171
7．3．3 验证算法……………………………………………………………… 172
7．4 可用的工具………………………………………………………………… 173
7．5 历史回顾和相关研究……………………………………………………… 174
7．6 总 结……………………………………………………………………… 175
习 题……………………………………………………………………………… 178
第8章 时间相关的Petri网……………………………………………………… 179
8．1 非定时Petri网…………………………………………………………… 179
8．2 带有时间扩展的Petri网………………………………………………… 181
8．2．1 定时Petri网………………………………………………………… 181
8．2．2 时间Petri网………………………………………………………… 181
8．2．3 高阶定时Petri网…………………………………………………… 184
8．3 时间ER网………………………………………………………………… 185
8．4 高阶Petri网的属性……………………………………………………… 189
8．5 TPN 网的BerthomieuＧDiaz分析算法…………………………………… 190
8．5．1 从状态类出发的变迁的可发生性确定……………………………… 191
8．5．2 导出可达类…………………………………………………………… 192
8．6 Milano研究团队的HLTPN 分析方法…………………………………… 193
8．7 可用的工具………………………………………………………………… 195
8．8 历史回顾和相关研究……………………………………………………… 195
8．9 总 结……………………………………………………………………… 196
习 题……………………………………………………………………………… 199
第9章 进程代数…………………………………………………………………… 200
9．1 非定时进程代数…………………………………………………………… 200
9．2 Milner的通信系统演算…………………………………………………… 201
9．2．1 行为程序的直接等价………………………………………………… 202
9．2．2 行为程序的全等……………………………………………………… 203
9．2．3 等价关系:互模拟……………………………………………………… 203
9．3 定时进程代数……………………………………………………………… 204
9．4 通信共享资源的进程代数………………………………………………… 204
9．4．1 ACSR的语法………………………………………………………… 205
9．4．2 ACSR的语义:操作规则……………………………………………… 206
9．4．3 机场雷达系统的例子………………………………………………… 210
9．5 分析和验证………………………………………………………………… 211
9．5．1 分析的例子…………………………………………………………… 213
9．5．2 VERSA 的使用……………………………………………………… 214
9．5．3 实用性………………………………………………………………… 215
9．6 与其他方法的关系………………………………………………………… 215
9．7 可用的工具………………………………………………………………… 216
9．8 历史回顾和相关研究……………………………………………………… 216
9．9 总 结……………………………………………………………………… 217
习 题……………………………………………………………………………… 218
第10章 基于命题逻辑规则系统的设计与分析…………………………………… 219
10．1 实时决策系统……………………………………………………………… 219
10．2 实时专家系统……………………………………………………………… 221
10．3 基于命题逻辑规则的程序———EQL语言……………………………… 222
10．3．1 声明部分……………………………………………………………… 223
10．3．2 初始化部分———初始化INIT和输入INPUT …………………… 223
10．3．3 规则部分———RULES ……………………………………………… 224
10．3．4 输出部分……………………………………………………………… 226
10．4 状态空间表示……………………………………………………………… 228
10．5 计算机辅助设计工具……………………………………………………… 230
10．6 分析问题…………………………………………………………………… 237
10．6．1 有限域………………………………………………………………… 238
10．6．2 特殊形式:对于常量的相容性赋值,L 和T 不相交……………… 239
10．6．3 通用分析策略………………………………………………………… 241
10．7 工业例子:航天飞机压力控制系统的低温氢压力故障处理过程分析
……………………………………………………………………………… 242
10．8 综合问题…………………………………………………………………… 252
10．8．1 调度基于等式规则程序的时间复杂性……………………………… 254
10．8．2 拉格朗日乘子法求解时间预算问题………………………………… 255
10．9 在ESTELLA 中规定终止条件………………………………………… 257
10．9．1 分析方法概述………………………………………………………… 258
10．9．2 规定行为约束断言的工具…………………………………………… 260
10．9．3 用于Estella的与语境无关的语法………………………………… 267
10．10 两个工业例子…………………………………………………………… 272
10．10．1 为分析ISA 专家系统而规定循环和退出条件…………………… 272
10．10．2 为分析FCE专家系统而规定断言………………………………… 274
10．11 Estella———通用分析工具……………………………………………… 278
10．11．1 通用分析算法……………………………………………………… 279
10．11．2 独立规则集的选择………………………………………………… 279
10．11．3 相容条件的检查…………………………………………………… 283
10．11．4 循环退出条件的检查……………………………………………… 284
10．12 定量时序分析算法……………………………………………………… 286
10．12．1 概 述……………………………………………………………… 286
10．12．2 等式逻辑语言……………………………………………………… 287
10．12．3 互斥和相容………………………………………………………… 288
10．12．4 高阶依赖图………………………………………………………… 289
10．12．5 程序执行和响应时间……………………………………………… 291
10．12．6 状态空间图………………………………………………………… 292
10．12．7 响应时间分析问题和特殊形式…………………………………… 293
10．12．8 特殊形式A 和Algorithm_A ……………………………………… 293
10．12．9 特殊形式A ………………………………………………………… 293
10．12．10 特殊形式D和Algorithm_D …………………………………… 295
10．12．11 通用分析算法……………………………………………………… 302
10．12．12 一些证明…………………………………………………………… 304
10．13 历史回顾和相关研究…………………………………………………… 308
10．14 总 结…………………………………………………………………… 310
习 题……………………………………………………………………………… 312
第11章 基于谓词逻辑规则系统的时序分析…………………………………… 314
第12章 基于规则系统的优化…………………………………………………… 377
参考文献 …………………………………………………………………………… 404
