概述
本書(shū)介紹了一種支持并發(fā)、面向?qū)ο蠛突�于組件的綜合性設(shè)計(jì)方法，該方法用于分布式嵌入式系統(tǒng)以及信息物理系統(tǒng)（CPS）中信息組件的實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)。
本書(shū)首先討論實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的特性并闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些重要概念。接下來(lái)詳細(xì)描述面向?qū)ο蠛突�于組件的實(shí)時(shí)嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)與詳細(xì)設(shè)計(jì)的方法。通過(guò)對(duì)一系列實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)案例的詳細(xì)研究，進(jìn)一步闡明了設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)決策的影響。本書(shū)中所有例子和案例研究均使用UML、SysML和MARTE可視化建模語(yǔ)言與表示法進(jìn)行編寫(xiě)。
本書(shū)面向?qū)�業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域，特別是研究生階段的人員。盡管書(shū)中給出了簡(jiǎn)要介紹，這里還是假設(shè)讀者已具備UML和面向?qū)ο蠓矫娴幕�礎(chǔ)知識(shí)。
本書(shū)內(nèi)容
市場(chǎng)上已有各種參考書(shū)介紹面向?qū)ο蠓治觥⒃O(shè)計(jì)概念和方法。然而，實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)有其特殊性，這些參考書(shū)缺少對(duì)此的深入詳細(xì)的描述。也有一些書(shū)籍描述了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一般原理或提供了相關(guān)方法綜述。本書(shū)關(guān)注的焦點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)，描述了從系統(tǒng)工程的視角來(lái)解決系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題的方法，系統(tǒng)問(wèn)題包括硬件和軟件方面的問(wèn)題。
本書(shū)全面介紹了面向?qū)ο蠛突�于組件的概念，用于復(fù)雜的、實(shí)時(shí)的和嵌入式的軟件分析和設(shè)計(jì)。本書(shū)的特點(diǎn)有：
1.描述了面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本概念。包括并發(fā)任務(wù)，面向?qū)ο蟮男畔㈦[藏、類(lèi)和繼承，分布式組件技術(shù)，軟件體系結(jié)構(gòu)，有限狀態(tài)機(jī)，以及采用實(shí)時(shí)調(diào)度的實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)性能分析。
2.詳細(xì)地描述了用于實(shí)時(shí)嵌入式軟件的并發(fā)面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)方法，這適用于大型復(fù)雜的工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)。
3.介紹了實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)概念，包括并發(fā)性、對(duì)象、組件、服務(wù)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式、軟件生產(chǎn)線和實(shí)時(shí)調(diào)度。
4.介紹了幾個(gè)詳細(xì)的案例研究，用以說(shuō)明實(shí)時(shí)嵌入式軟件系統(tǒng)的不同特性，逐步給出了從實(shí)時(shí)系統(tǒng)需求分析到詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)描述。所有案例研究采用SysML、UML 2和MARTE可視化建模語(yǔ)言與表示法進(jìn)行編寫(xiě)。
5.在附錄中為詳細(xì)任務(wù)設(shè)計(jì)提供了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式和偽代碼模板，包括詞匯表和參考文獻(xiàn)以及工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域相關(guān)課程講授方面的考慮。
本書(shū)讀者
本書(shū)面向?qū)�業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域讀者。專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域讀者包括系統(tǒng)工程師、軟件工程師、計(jì)算機(jī)工程師、分析師、架構(gòu)師、設(shè)計(jì)師、程序員、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、技術(shù)經(jīng)理以及質(zhì)量保證專(zhuān)家，他們會(huì)參與來(lái)自工業(yè)和政府的大規(guī)模實(shí)時(shí)嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。學(xué)術(shù)領(lǐng)域讀者包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、軟件工程、系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)工程方面的高年級(jí)本科生與研究生，以及這些領(lǐng)域中的研究人員。
本書(shū)閱讀方式
本書(shū)可以采用不同的閱讀方式。可以按照所給出的順序進(jìn)行閱讀，其中第1～3章給出了介紹性的概念，第4章給出了COMET/RTE嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)方法概述，第5～18章給出了實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)較深入的內(nèi)容，第19～23章給出了詳細(xì)的案例研究。
部分讀者可能希望跳過(guò)一些章節(jié)，這取決于他們對(duì)所討論的主題的熟悉程度。第1～3章是介紹性的，有經(jīng)驗(yàn)的讀者可以跳過(guò)。熟悉軟件設(shè)計(jì)概念的讀者可以跳過(guò)第3章。對(duì)實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)特別感興趣的讀者，可以直接從第4章開(kāi)始閱讀。不熟悉UML、SysML或MARTE的讀者可以閱讀第2章以及第4～18章。
有經(jīng)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)師也可以使用本書(shū)作為參考書(shū)，隨著項(xiàng)目進(jìn)入各特定階段，如需求、分析和設(shè)計(jì)過(guò)程，可以參閱相關(guān)章節(jié)。每一章都是相對(duì)獨(dú)立的，例如，人們可隨時(shí)參考第5章來(lái)討論使用SysML和UML進(jìn)行結(jié)構(gòu)化建模，用例描述可參考第6章，狀態(tài)機(jī)描述可參考第7章。第10章可以作為實(shí)時(shí)軟件體系結(jié)構(gòu)概述方面的參考。第11章和附錄B作為軟件體系結(jié)構(gòu)模式方面的參考。第12章作為基于組件的軟件體系結(jié)構(gòu)方面的參考。第13章作為通過(guò)MARTE進(jìn)行并發(fā)實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)計(jì)方面的參考。第15章可以作為軟件產(chǎn)品線設(shè)計(jì)方面的參考內(nèi)容。第16章可以作為系統(tǒng)和軟件質(zhì)量屬性方面的參考。第17章和第18章作為實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)性能分析方面的參考�？梢酝ㄟ^(guò)閱讀第19～23章的案例研究來(lái)更好地理解如何使用COMET/RTE方法，每一個(gè)案例研究都解釋了在需求、分析和設(shè)計(jì)各階段所做出的決策。
本書(shū)組織結(jié)構(gòu)
第一部分　概述
第1章“引言”　本章概述了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用，描述了集中式和分布式實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的主要功能，概述了信息物理系統(tǒng)（CPS）的新興領(lǐng)域，其中實(shí)時(shí)軟件是其關(guān)鍵組件。本章接下來(lái)介紹了書(shū)中用到的COMET/RTE和實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
第2章“UML、SysML和MARTE概述”　本章描述了UML、SysML和MARTE可視化建模語(yǔ)言與表示法的主要特性，這特別適合于使用COMET/RTE方法進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)。本章目的不是完整地介紹UML、SysML和MARTE，因?yàn)橐延衅渌麜?shū)籍詳細(xì)論述了這方面的主題。這里只對(duì)每個(gè)主題提供一個(gè)簡(jiǎn)要的概述，特別是那些COMET/RTE使用的部分。
第3章“實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)概念”　本章描述了并發(fā)面向?qū)ο髮?shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念以及開(kāi)發(fā)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)方面的重要概念，引入了并發(fā)處理概念，描述了并發(fā)任務(wù)之間通信和同步的問(wèn)題，從應(yīng)用于實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)視角討論了一些通用的設(shè)計(jì)概念，包括面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中的信息隱藏和繼承概念、軟件體系結(jié)構(gòu)和軟件組件概念。本章還簡(jiǎn)要討論了與實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和任務(wù)調(diào)度。
第二部分　實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)方法
第4章“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法概述”　本章概述了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，該方法稱(chēng)為COMET/RTE（Concurrent Object Modeling and Architectural Design Method for Real-Time Embedded systems），它使用了SysML、UML以及MARTE可視化建模語(yǔ)言和表示法。本章還描述了COMET/RTE的迭代系統(tǒng)和軟件生命周期以及與其他生命周期的對(duì)比，然后描述了使用COMET/RTE的主要步驟。
第5章“SysML和UML實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化建�！薄”菊旅枋隽巳绾问褂肧ysML和UML將結(jié)構(gòu)化建模作為一種綜合方法用于包含軟硬件組件的嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)和軟件建模，還描述了問(wèn)題域的結(jié)構(gòu)化建模、硬件/軟件系統(tǒng)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)化建模、硬件/軟件邊界建模、軟件系統(tǒng)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)化建模、硬件/軟件接口定義以及系統(tǒng)部署建模。
第6章“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)用例建模”　本章描述了如何將用例建模從系統(tǒng)工程和軟件工程視角應(yīng)用于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。在概述了用例的基本原理后，重點(diǎn)放在獲取實(shí)時(shí)和嵌入式系統(tǒng)的功能和非功能需求方面。本章還解釋了系統(tǒng)用例/角色和軟件用例/角色之間的區(qū)別。
第7章“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)”　本章描述了狀態(tài)機(jī)建模概念，這對(duì)反應(yīng)式（reactive）實(shí)時(shí)系統(tǒng)尤其重要。這一章涵蓋了事件、狀態(tài)、條件、動(dòng)作和活動(dòng)、進(jìn)入和退出動(dòng)作、組合狀態(tài)以及具有順序和正交子狀態(tài)的層次狀態(tài)機(jī)，還解決了開(kāi)發(fā)協(xié)作狀態(tài)機(jī)、狀態(tài)機(jī)繼承以及從用例導(dǎo)出狀態(tài)機(jī)過(guò)程中的問(wèn)題。
第8章“為實(shí)時(shí)嵌入式軟件構(gòu)造對(duì)象和類(lèi)”　本章描述了軟件類(lèi)和對(duì)象的識(shí)別與分類(lèi)，重點(diǎn)描述了類(lèi)在實(shí)時(shí)軟件中所起的作用，包括邊界、控制和實(shí)體類(lèi)。本章還描述了每個(gè)對(duì)象分類(lèi)對(duì)應(yīng)的行為模式。
第9章“實(shí)時(shí)嵌入式軟件動(dòng)態(tài)交互建�！薄”菊旅枋隽藙�(dòng)態(tài)交互建模概念，為每個(gè)用例開(kāi)發(fā)了交互圖，包括主場(chǎng)景和可選場(chǎng)景。討論了依賴(lài)于狀態(tài)的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，介紹了依賴(lài)于狀態(tài)的對(duì)象交互的動(dòng)態(tài)交互建模。本章還描述了狀態(tài)機(jī)和交互圖是如何相互關(guān)聯(lián)的，以及如何使它們相互保持一致。
第10章“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)”　本章介紹了分布式實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)概念，描述了軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Software Architectural Design）中的問(wèn)題，闡述了開(kāi)發(fā)軟件體系結(jié)構(gòu)多視圖模型的益處。本章還介紹了軟件組件和基于組件的軟件體系結(jié)構(gòu)，仔細(xì)地說(shuō)明了從需求分析到體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，并描述了子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)注點(diǎn)分離和子系統(tǒng)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)，最后討論了子系統(tǒng)消息通信接口的設(shè)計(jì)。
第11章“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)模式”　本章描述了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式在開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)軟件體系結(jié)構(gòu)中的作用，概述了軟件體系結(jié)構(gòu)模式，包括總體結(jié)構(gòu)和通信模式。本章還描述了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模式，包括分層模式、實(shí)時(shí)控制模式、客戶/服務(wù)模式、代理模式和基于事件的訂閱/通知模式。
第12章“基于組件的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)”　本章描述了如何將分布式實(shí)時(shí)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成基于組件的軟件體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以部署到分布式環(huán)境中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上；描述了組件設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括復(fù)合和簡(jiǎn)單組件、具有供給和需求接口的組件接口設(shè)計(jì)、端口和連接器；還描述了服務(wù)組件和分布式軟件連接器的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了組件配置和部署問(wèn)題。
第13章“并發(fā)實(shí)時(shí)軟件任務(wù)設(shè)計(jì)”　本章描述了使用MARTE實(shí)時(shí)建模表示法進(jìn)行并發(fā)任務(wù)設(shè)計(jì)；描述了并發(fā)任務(wù)構(gòu)造，包括事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)、周期任務(wù)和需求驅(qū)動(dòng)的任務(wù)；還描述了對(duì)象的任務(wù)聚簇；描述了任務(wù)接口的設(shè)計(jì)，包括同步和異步消息通信、事件同步以及通過(guò)被動(dòng)對(duì)象通信；描述了不同類(lèi)型的消息通信對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)并發(fā)行為的影響。
第14章“實(shí)時(shí)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)”　本章描述了并發(fā)任務(wù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，描述了嵌套被動(dòng)類(lèi)組合任務(wù)的設(shè)計(jì)，通過(guò)互斥、多讀者/作者和監(jiān)視器描述了訪問(wèn)被動(dòng)類(lèi)的任務(wù)同步，介紹了用于任務(wù)間通信的連接器的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹了作為Java線程的并發(fā)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。
第15章“實(shí)時(shí)軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”　本章描述了實(shí)時(shí)軟件產(chǎn)品線的特點(diǎn)，解釋了功能建模以及建模共性和差異性方面的重要概念，解釋了如何在用例、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型以及軟件體系結(jié)構(gòu)中建模差異性。本章接著描述了在軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)中建模共性和可變組件，介紹了產(chǎn)品線工件的軟件應(yīng)用工程。
第三部分　實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)分析
第16章“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)和軟件質(zhì)量屬性”　本章描述了系統(tǒng)和軟件的質(zhì)量屬性以及如何將它們用于評(píng)估實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)和軟件體系結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。系統(tǒng)質(zhì)量屬性包括可伸縮性（scalability）、性能（performance）、可用性（availability）、安全性（safety）和信息安全（security）。軟件質(zhì)量屬性包括可維護(hù)性（maintainability）、可修改性（modifiability）、可測(cè)試性（testability）、可跟蹤性（traceability）和可重用性（reusability）。本章還討論了COMET/RTE實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)方法是如何支持系統(tǒng)和軟件質(zhì)量屬性的。
第17章“實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)的性能分析”　本章介紹了分析實(shí)時(shí)嵌入式軟件設(shè)計(jì)性能的方法；描述了分析設(shè)計(jì)性能的兩種方法—實(shí)時(shí)調(diào)度理論和事件序列分析，并將它們結(jié)合起來(lái)分析并發(fā)多任務(wù)設(shè)計(jì)；描述了最新的實(shí)時(shí)調(diào)度算法，包括截止期限單調(diào)調(diào)度、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度和多處理器調(diào)度；還描述了包括多核、多處理器系統(tǒng)性能的實(shí)際分析方法，討論了性能參數(shù)的估計(jì)和測(cè)量。
第18章“性能分析應(yīng)用于實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)”　本章將第17章中描述的實(shí)時(shí)性能分析概念和理論應(yīng)用到輕軌控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中，用實(shí)時(shí)調(diào)度理論和事件序列分析兩種方法分析并發(fā)多任務(wù)設(shè)計(jì)性能，并對(duì)單處理器和多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能進(jìn)行了分析和比較。
第四部分　實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)案例研究
第19章“微波爐控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了如何將COMET/RTE設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到一個(gè)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品—微波爐控制系統(tǒng)（Microwave Oven Control System）的嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)中。
第20章“鐵路道口控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了如何將COMET/RTE設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于嚴(yán)苛安全性要求的鐵路道口控制系統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)中。
第21章“輕軌控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了如何將COMET/RTE設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于嵌入式輕軌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在該系統(tǒng)中，無(wú)人駕駛列車(chē)的自動(dòng)控制必須安全、實(shí)時(shí)地完成。
第22章“泵控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了一種簡(jiǎn)明的案例研究，即如何將COMET/RTE設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于泵控制系統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)中。
第23章“高速公路收費(fèi)控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了一種簡(jiǎn)明的案例研究，即如何將COMET/RTE設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于高速公路收費(fèi)控制系統(tǒng)的分布式嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)中。
附錄A“本書(shū)中使用的約定”　描述了命名需求、分析和設(shè)計(jì)工件的約定，描述了交互圖上的消息序列編號(hào)的約定。
附錄B“軟件體系結(jié)構(gòu)模式目錄”　使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式模板描述了每種體系結(jié)構(gòu)和通信模式。
附錄C“并發(fā)任務(wù)偽碼模板”　提供了幾種不同類(lèi)型的并發(fā)任務(wù)偽碼。
附錄D“教學(xué)考慮”　給出了學(xué)術(shù)類(lèi)（研究生和高年級(jí)本科生）課程教學(xué)大綱和工業(yè)類(lèi)課程教學(xué)大綱。