概述
本書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）中信息組件的實時軟件設(shè)計。
本書首先討論實時嵌入式系統(tǒng)的特性并闡述系統(tǒng)設(shè)計中的一些重要概念。接下來詳細(xì)描述面向?qū)ο蠛突�于組件的實時嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)與詳細(xì)設(shè)計的方法。通過對一系列實時嵌入式系統(tǒng)案例的詳細(xì)研究，進(jìn)一步闡明了設(shè)計方法和設(shè)計決策的影響。本書中所有例子和案例研究均使用UML、SysML和MARTE可視化建模語言與表示法進(jìn)行編寫。
本書面向?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。盡管書中給出了簡要介紹，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。
本書內(nèi)容
市場上已有各種參考書介紹面向?qū)ο蠓治�、設(shè)計概念和方法。然而，實時嵌入式系統(tǒng)有其特殊性，這些參考書缺少對此的深入詳細(xì)的描述。也有一些書籍描述了實時系統(tǒng)的一般原理或提供了相關(guān)方法綜述。本書關(guān)注的焦點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)實時軟件設(shè)計，描述了從系統(tǒng)工程的視角來解決系統(tǒng)級問題的方法，系統(tǒng)問題包括硬件和軟件方面的問題。
本書全面介紹了面向?qū)ο蠛突�于組件的概念，用于復(fù)雜的、實時的和嵌入式的軟件分析和設(shè)計。本書的特點(diǎn)有：
1.描述了面向?qū)ο蟮膶崟r嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本概念。包括并發(fā)任務(wù)，面向?qū)ο蟮男畔㈦[藏、類和繼承，分布式組件技術(shù)，軟件體系結(jié)構(gòu)，有限狀態(tài)機(jī)，以及采用實時調(diào)度的實時軟件設(shè)計性能分析。
2.詳細(xì)地描述了用于實時嵌入式軟件的并發(fā)面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法，這適用于大型復(fù)雜的工業(yè)軟件開發(fā)。
3.介紹了實時軟件設(shè)計和系統(tǒng)集成幾個重要的設(shè)計概念，包括并發(fā)性、對象、組件、服務(wù)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計模式、軟件生產(chǎn)線和實時調(diào)度。
4.介紹了幾個詳細(xì)的案例研究，用以說明實時嵌入式軟件系統(tǒng)的不同特性，逐步給出了從實時系統(tǒng)需求分析到詳細(xì)軟件設(shè)計的細(xì)節(jié)描述。所有案例研究采用SysML、UML 2和MARTE可視化建模語言與表示法進(jìn)行編寫。
5.在附錄中為詳細(xì)任務(wù)設(shè)計提供了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計模式和偽代碼模板，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。
本書讀者
本書面向?qū)�業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域讀者。專業(yè)領(lǐng)域讀者包括系統(tǒng)工程師、軟件工程師、計算機(jī)工程師、分析師、架構(gòu)師、設(shè)計師、程序員、項目負(fù)責(zé)人、技術(shù)經(jīng)理以及質(zhì)量保證專家，他們會參與來自工業(yè)和政府的大規(guī)模實時嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。學(xué)術(shù)領(lǐng)域讀者包括計算機(jī)科學(xué)、軟件工程、系統(tǒng)工程和計算機(jī)工程方面的高年級本科生與研究生，以及這些領(lǐng)域中的研究人員。
本書閱讀方式
本書可以采用不同的閱讀方式�？梢园凑账�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)實時軟件設(shè)計方法概述，第5～18章給出了實時軟件設(shè)計較深入的內(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一些章節(jié)，這取決于他們對所討論的主題的熟悉程度。第1～3章是介紹性的，有經(jīng)驗的讀者可以跳過。熟悉軟件設(shè)計概念的讀者可以跳過第3章。對實時軟件設(shè)計特別感興趣的讀者，可以直接從第4章開始閱讀。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)驗的軟件設(shè)計師也可以使用本書作為參考書，隨著項目進(jìn)入各特定階段，如需求、分析和設(shè)計過程，可以參閱相關(guān)章節(jié)。每一章都是相對獨(dú)立的，例如，人們可隨時參考第5章來討論使用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章可以作為實時軟件體系結(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MARTE進(jìn)行并發(fā)實時任務(wù)設(shè)計方面的參考。第15章可以作為軟件產(chǎn)品線設(shè)計方面的參考內(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章作為實時軟件設(shè)計性能分析方面的參考�？梢酝ㄟ^閱讀第19～23章的案例研究來更好地理解如何使用COMET/RTE方法，每一個案例研究都解釋了在需求、分析和設(shè)計各階段所做出的決策。
本書組織結(jié)構(gòu)
第一部分　概述
第1章“引言”　本章概述了實時嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用，描述了集中式和分布式實時嵌入式系統(tǒng)的主要功能，概述了信息物理系統(tǒng)（CPS）的新興領(lǐng)域，其中實時軟件是其關(guān)鍵組件。本章接下來介紹了書中用到的COMET/RTE和實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法。
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)行實時設(shè)計。本章目的不是完整地介紹UML、SysML和MARTE，因為已有其他書籍詳細(xì)論述了這方面的主題。這里只對每個主題提供一個簡要的概述，特別是那些COMET/RTE使用的部分。
第3章“實時軟件設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)概念”　本章描述了并發(fā)面向?qū)ο髮崟r嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的關(guān)鍵概念以及開發(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題，從應(yīng)用于實時設(shè)計視角討論了一些通用的設(shè)計概念，包括面向?qū)ο笤O(shè)計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。本章還簡要討論了與實時軟件設(shè)計相關(guān)的技術(shù)問題，包括實時操作系統(tǒng)和任務(wù)調(diào)度。
第二部分　實時軟件設(shè)計方法
第4章“實時嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計方法概述”　本章概述了實時嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計方法，該方法稱為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比，然后描述了使用COMET/RTE的主要步驟。
第5章“SysML和UML實時嵌入式系統(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“實時嵌入式系統(tǒng)用例建�！薄”菊旅枋隽巳绾螌⒂美�建模從系統(tǒng)工程和軟件工程視角應(yīng)用于實時嵌入式系統(tǒng)。在概述了用例的基本原理后，重點(diǎn)放在獲取實時和嵌入式系統(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“實時嵌入式系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)”　本章描述了狀態(tài)機(jī)建模概念，這對反應(yīng)式（reactive）實時系統(tǒng)尤其重要。這一章涵蓋了事件、狀態(tài)、條件、動作和活動、進(jìn)入和退出動作、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)過程中的問題。
第8章“為實時嵌入式軟件構(gòu)造對象和類”　本章描述了軟件類和對象的識別與分類，重點(diǎn)描述了類在實時軟件中所起的作用，包括邊界、控制和實體類。本章還描述了每個對象分類對應(yīng)的行為模式。
第9章“實時嵌入式軟件動態(tài)交互建�！薄”菊旅枋隽藙討B(tài)交互建模概念，為每個用例開發(fā)了交互圖，包括主場景和可選場景。討論了依賴于狀態(tài)的實時嵌入式系統(tǒng)，介紹了依賴于狀態(tài)的對象交互的動態(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“實時嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)”　本章介紹了分布式實時嵌入式系統(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（Software Architectural Design）中的問題，闡述了開發(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)地說明了從需求分析到體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)變過程，并描述了子系統(tǒng)設(shè)計中的關(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。
第11章“實時嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)模式”　本章描述了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計模式在開發(fā)實時軟件體系結(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。本章還描述了實時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模式，包括分層模式、實時控制模式、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“基于組件的實時嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)”　本章描述了如何將分布式實時體系結(jié)構(gòu)設(shè)計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)境中的多個節(jié)點(diǎn)上；描述了組件設(shè)計問題，包括復(fù)合和簡單組件、具有供給和需求接口的組件接口設(shè)計、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，說明了組件配置和部署問題。
第13章“并發(fā)實時軟件任務(wù)設(shè)計”　本章描述了使用MARTE實時建模表示法進(jìn)行并發(fā)任務(wù)設(shè)計；描述了并發(fā)任務(wù)構(gòu)造，包括事件驅(qū)動的任務(wù)、周期任務(wù)和需求驅(qū)動的任務(wù)；還描述了對象的任務(wù)聚簇；描述了任務(wù)接口的設(shè)計，包括同步和異步消息通信、事件同步以及通過被動對象通信；描述了不同類型的消息通信對軟件體系結(jié)構(gòu)并發(fā)行為的影響。
第14章“實時軟件詳細(xì)設(shè)計”　本章描述了并發(fā)任務(wù)的詳細(xì)設(shè)計，描述了嵌套被動類組合任務(wù)的設(shè)計，通過互斥、多讀者/作者和監(jiān)視器描述了訪問被動類的任務(wù)同步，介紹了用于任務(wù)間通信的連接器的設(shè)計，簡要介紹了作為Java線程的并發(fā)任務(wù)的實現(xiàn)。
第15章“實時軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)設(shè)計”　本章描述了實時軟件產(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　實時軟件設(shè)計分析
第16章“實時嵌入式系統(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估實時嵌入式系統(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）、可測試性（testability）、可跟蹤性（traceability）和可重用性（reusability）。本章還討論了COMET/RTE實時設(shè)計方法是如何支持系統(tǒng)和軟件質(zhì)量屬性的。
第17章“實時軟件設(shè)計的性能分析”　本章介紹了分析實時嵌入式軟件設(shè)計性能的方法；描述了分析設(shè)計性能的兩種方法—實時調(diào)度理論和事件序列分析，并將它們結(jié)合起來分析并發(fā)多任務(wù)設(shè)計；描述了最新的實時調(diào)度算法，包括截止期限單調(diào)調(diào)度、動態(tài)優(yōu)先級調(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)性能的實際分析方法，討論了性能參數(shù)的估計和測量。
第18章“性能分析應(yīng)用于實時軟件設(shè)計”　本章將第17章中描述的實時性能分析概念和理論應(yīng)用到輕軌控制系統(tǒng)的實時設(shè)計中，用實時調(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)計性能，并對單處理器和多處理器系統(tǒng)設(shè)計性能進(jìn)行了分析和比較。
第四部分　實時嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計案例研究
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)計方法應(yīng)用到一個消費(fèi)類產(chǎn)品—微波爐控制系統(tǒng)（Microwave Oven Control System）的嵌入式實時軟件設(shè)計中。
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)的嵌入式實時軟件設(shè)計中。
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)計方法應(yīng)用于嵌入式輕軌控制系統(tǒng)的設(shè)計中，在該系統(tǒng)中，無人駕駛列車的自動控制必須安全、實時地完成。
第22章“泵控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了一種簡明的案例研究，即如何將COMET/RTE設(shè)計方法應(yīng)用于泵控制系統(tǒng)的嵌入式實時軟件設(shè)計中。
第23章“高速公路收費(fèi)控制系統(tǒng)案例研究”　本章描述了一種簡明的案例研究，即如何將COMET/RTE設(shè)計方法應(yīng)用于高速公路收費(fèi)控制系統(tǒng)的分布式嵌入式實時軟件設(shè)計中。
附錄A“本書中使用的約定”　描述了命名需求、分析和設(shè)計工件的約定，描述了交互圖上的消息序列編號的約定。
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（研究生和高年級本科生）課程教學(xué)大綱和工業(yè)類課程教學(xué)大綱。