音像实时嵌入式系统软件设计[美] Hassan Gomaa

出版者的话译者序前言致谢部分  概述章  引言21.1  挑战21.2  实时嵌入式系统和应用软件21.3  实时嵌入式系统的特征31.4  分布式实时嵌入式系统51.5  信息物理系统61.6  嵌入式系统实时软件设计方法需求61.7  COMET/RTE：用于嵌入式系统的实时软件设计方法71.8  可视化建模语言：UML、SysML和MARTE71.9  小结7第2章  UML、SysML和MARTE概述92.1  使用SysML和UML的模型驱动体系结构92.2  用例图10.  类和对象112.4  类图112.5  交互图122.6  状态机图142.7  包图152.8  并发序列图和通信图152.9  部署图162.10  组合结构图172.11  UML扩展机制和扩展集182.12  SysML192.13  MARTE扩展集202.14  时序图212.15  UML、SysML和MARTE的工具支持212.16  小结2第章  实时软件设计和体系结构概念.1  面向对象概念.2  信息隐藏243.3  继承253.4  主动和被动对象263.5  并发处理263.6  并发任务之间的合作273.7  信息隐藏应用于访问同步303.8  实时并发处理的运行时支持303.9  任务调度313.10  软件体系结构和组件333.11  小结34第二部分  实时软件设计方法第4章  实时嵌入式系统软件设计方法概述364.1  COMET/RTE系统和软件生命周期模型364.2  COMET/RTE生命周期模型374.3  COMET/RTE生命周期与软件过程比较394.4  实时嵌入式系统设计方法综述404.5  系统和软件体系结构的多个视图414.6  小结42第5章  SysML和UML实时嵌入式系统结构化建模435.1  静态建模概念435.2  用构造型归类块和类465.3  SysML问题域结构化建模465.4  系统上下文结构化建模485.5  硬件/软件边界建模505.6  软件系统上下文结构化建模515.7  定义硬件/软件接口545.8  系统部署建模545.9  小结55第6章  实时嵌入式系统用例建模566.1  用例566.2  角色566.3  确定用例606.4  用例模型中的用例文档616.5  指定非功能需求616.6  用例描述举例626.7  用例关系656.8  包含用例关系656.9  扩展用例关系676.10  用例包696.11  小结69第7章  实时嵌入式系统状态机717.1  状态机717.2  状态机示例737.3  事件和监护条件747.4  动作747.5  分层状态机797.6  协作状态机827.7  继承状态机847.8  从用例中开发状态机857.9  从用例中开发状态机的示例857.10  小结88第8章  为实时嵌入式软件构造对象和类898.1  对象和类的构造标准898.2  对象和类的构造类别908.3  对象的行为和模式908.4  边界类和对象918.5  实体类和对象958.6  控制类和对象968.7  应用逻辑类和对象988.8  小结100第9章  实时嵌入式软件动态交互建模1019.1  对象交互建模1019.2  消息序列描述1029.3  动态交互建模方法1029.4  无状态的动态交互建模1039.5  无状态的动态交互建模示例1039.6  依赖于状态的动态交互建模1079.7  依赖于状态的动态交互建模示例：微波炉系统1099.8  小结1160章  实时嵌入式系统软件体系结构11710.1  软件体系结构概述11710.2  软件体系结构的多个视图11910.3  从分析过渡到设计12110.4  子系统设计中的关注点分离110.5  子系统构造标准12510.6  确定子系统间的消息通信13010.7  小结1311章  实时嵌入式系统软件体系结构模式13211.1  软件设计模式13211.2  分层软件体系结构模式13311.3  实时软件体系结构的控制模式13511.4  客户/服务软件体系结构模式13811.5  基本软件体系结构通信模式14011.6  软件体系结构代理模式14511.7  分组消息通信模式14711.8  编写软件体系结构模式文档14811.9  软件体系结构模式应用14911.10  小结1492章  基于组件的实时嵌入式系统软件体系结构15012.1  基于组件的软件体系结构15012.2  基于组件的分布式软件体系结构设计1511.  组件接口设计15112.4  复合组件设计15312.5  基于组件的软件体系结构示例15512.6  组件构造标准15612.7  服务组件设计15812.8  数据分布16112.9  软件部署16212.10  软件连接器设计16312.11  小结1653章  并发实时软件任务设计16613.1  并发任务构造问题16613.2  分类并发任务16613.3  I/O任务构造标准16713.4  内部任务构造标准17213.5  任务优先级标准17713.6  任务聚簇标准17813.7  用任务反演进行设计重构18313.8  开发任务体系结构18413.9  任务通信和同步18513.10  任务接口与任务行为规范18913.11  小结1894章  实时软件详细设计19114.1  组合任务设计19114.2  类访问同步19614.3  监视器设计19914.4  任务间通信连接器设计20314.5  任务事件序列逻辑20914.6  机器人和视觉系统中的实时软件详细设计21014.7  并发任务的Java实现21114.8  小结2125章  实时软件产品线体系结构设计21315.1  软件产品线工程21315.2  微波炉软件产品线问题描述21415.3  软件产品线需求建模21415.4  软件产品线分析建模21815.5  软件产品线设计建模22215.6  小结224第三部分  实时软件设计分析6章  实时嵌入式系统的系统和软件质量属22616.1  可扩展22616.2  能22716.3  可用22716.4  安全2216.5  信息安全22916.6  可维护22916.7  可修改01.8  可测试11.9  可跟踪21.10  可重用21.11  小结7章  实时软件设计的能分析41.1  实时调度理论41.2  非周期任务和任务同步的实时调度17.3  广义实时调度理论24017.4  使用事件序列分析进行能分析24317.5  使用实时调度理论和事件序列分析进行能分析24517.6  不错实时调度算法24517.7  多处理器系统的能分析24617.8  能参数的估计和测量24917.9  小结2508章  能分析应用于实时软件设计25118.1  使用事件序列分析进行能分析的示例25118.2  用实时调度理论进行能分析的示例25518.3  用实时调度理论和事件序列分析进行能分析的示例25818.4  设计重构26818.5  小结268第四部分  实时嵌入式系统软件设计案例研究9章  微波炉控制系统案例研究27019.1  问题描述27019.2  结构化建模27019.3  用例建模27219.4  构造对象和类27519.5  动态状态机建模27619.6  动态交互建模28019.7  设计建模29019.8  实时软件设计的能分析29719.9  基于组件的软件体系结构30119.10  详细的软件设计30519.11  系统配置和部署307第20章  铁路道口控制系统案例研究30920.1  问题描述30920.2  结构化建模30920.3  用例建模31320.4  动态状态机建模31520.5  构造对象和类31720.6  动态交互建模31820.7  设计建模320.8  实时软件设计的能分析32820.9  基于组件的软件体系结构33020.10  系统配置和部署3342章  轻轨控制系统案例研究33621.1  问题描述33621.2  结构化建模33721.3  用例建模33821.4  动态状态机建模34621.5  构造子系统35121.6  构造对象和类35121.7  动态交互建模35421.8  设计建模36421.9  子系统综合通信图36421.10  分布式轻轨系统设计36621.11  基于组件的软件体系结构37321.12  系统配置和部署375第22章  泵控制系统案例研究37722.1  问题描述37722.2  结构化建模3772.  用例建模37822.4  构造对象和类38022.5  动态状态机建模38022.6  动态交互建模38222.7  设计建模383第章  高速公路收费控制系统案例研究387.1  问题描述387.2  用例建模387.  软件系统上下文建模389.4  构造对象和类389.5  动态状态机建模390.  动态交互建模390.  设计建模392附录A  本书使用的约定396附录B  软件体系结构模式目录399附录C  并发任务伪码模板415附录D  教学考虑420词汇表422参考文献433索引439

哈桑·戈玛（Hassan Gomaa）是George Mason大学计算机科学系教授和前任系主任，在工业界和学术界有30多年的软件工程经验。他曾在北美、欧洲、日本和韩国讲授实时软件设计方面的不错短期行业培训课程。他已发表了200余篇技术，编写了另外4本有关软件设计方面的教材，包括《软件建模与设计》和《用UML设计软件产品线》。

概述本书介绍了一种支持并发、面向对象和基于组件的综合设计方法，该方法用于分布式嵌入式系统以及信息物理系统（CPS）中信息组件的实时软件设计。本书首先讨论实时嵌入式系统的特并阐述系统设计中的一些重要概念。接下来详细描述面向对象和基于组件的实时嵌入式软件体系结构与详细设计的方法。通过对一系列实时嵌入式系统案例的详细研究，进一步阐明了设计方法和设计决策的影响。本书中所有例子和案例研究均使用UML、SysML和MARTE可视化建模语言与表示法进行编写。本书面向专业领域和学术领域，特别是阶段的人员。尽管书中给出了简要介绍，这里还是设读者已具备UML和面向对象方面的基础知识。本书内容市场上已有各种参考书介绍面向对象分析、设计概念和方法。然而，实时嵌入式系统有其特殊，这些参考书缺少对此的深入详细的描述。也有一些书籍描述了实时系统的一般原理或提供了相关方法综述。本书关注的焦点是嵌入式系统实时软件设计，描述了从系统工程的视角来解决系统级问题的方法，系统问题包括硬件和软件方面的问题。本书全面介绍了面向对象和基于组件的概念，用于复杂的、实时的和嵌入式的软件分析和设计。本书的特点有：1.描述了面向对象的实时嵌入式系统软件设计的基本概念。包括并发任务，面向对象的信息隐藏、类和继承，分布式组件技术，软件体系结构，有限状态机，以及采用实时调度的实时软件设计能分析。2.详细地描述了用于实时嵌入式软件的并发面向对象的分析和设计方法，这适用于大型复杂的工业软件开发。3.介绍了实时软件设计和系统集成几个重要的设计概念，包括并发、对象、组件、服务、体系结构设计模式、软件生产线和实时调度。4.介绍了几个详细的案例研究，用以说明实时嵌入式软件系统的不同特，逐步给出了从实时系统需求分析到详细软件设计的细节描述。所有案例研究采用SysML、UML 2和MARTE可视化建模语言与表示法进行编写。5.在附录中为详细任务设计提供了体系结构设计模式和伪代码模板，包括词汇表和参考文献以及工业和学术领域相关课程讲授方面的考虑。本书读者本书面向专业领域和学术领域读者。专业领域读者包括系统、软件、计算机、分析师、架构师、设计师、程序员、项目负责人、技术经理以及质量保专家，他们会参与来自工业和的大规模实时嵌入式软件系统的设计与开发。学术领域读者包括计算机科学、软件工程、系统工程和计算机工程方面的高年级生与，以及这些领域中的研究人员。本书阅读方式本书可以采用不同的阅读方式。可以按照所给出的顺序进行阅读，其中～3章给出了介绍的概念，第4章给出了COMET/RTE嵌入式系统实时软件设计方法概述，5～8章给出了实时软件设计较深入的内容，9～章给出了详细的案例研究。部分读者可能希望跳过一些章节，这取决于他们对所讨论的主题的熟悉程度。～3章是介绍的，有经验的读者可以跳过。熟悉软件设计概念的读者可以跳过第3章。对实时软件设计特别感兴趣的读者，可以直接从第4章开始阅读。不熟悉UML、SysML或MARTE的读者可以阅读第2章以及第4～18章。有经验的软件设计师也可以使用本书作为参考书，随着项目进入各特定阶段，如需求、分析和设计过程，可以参阅相关章节。每一章都是相对独立的，例如，人们可随时参考第5章来讨论使用SysML和UML进行结构化建模，用例描述可参考第6章，状态机描述可参考第7章。0章可以作为实时软件体系结构概述方面的参考。1章和附录B作为软件体系结构模式方面的参考。2章作为基于组件的软件体系结构方面的参考。3章作为通过MARTE进行并发实时任务设计方面的参考。5章可以作为软件产品线设计方面的参考内容。6章可以作为系统和软件质量属方面的参考。7章和8章作为实时软件设计能分析方面的参考。可以通过阅读9～章的案例研究来更好地理解如何使用COMET/RTE方法，每一个案例研究都解释了在需求、分析和设计各阶段所做出的决策。本书组织结构部分  概述章“引言”  本章概述了实时嵌入式系统和应用，描述了集中式和分布式实时嵌入式系统的主要功能，概述了信息物理系统（CPS）的新兴领域，其中实时软件是其关键组件。本章接下来介绍了书中用到的COMET/RTE和实时嵌入式系统设计方法。第2章“UML、SysML和MARTE概述”  本章描述了UML、SysML和MARTE可视化建模语言与表示法的主要特，这特别适合于使用COMET/RTE方法进行实时设计。本章目的不是完整地介绍UML、SysML和MARTE，因为已有书籍详细论述了这方面的主题。这里只对每个主题提供一个简要的概述，特别是那些COMET/RTE使用的部分。第3章“实时软件设计和体系结构概念”  本章描述了并发面向对象实时嵌入式系统软件设计中的关键概念以及开发系统体系结构方面的重要概念，引入了并发处理概念，描述了并发任务之间通信和同步的问题，从应用于实时设计视角讨论了一些通用的设计概念，包括面向对象设计中的信息隐藏和继承概念、软件体系结构和软件组件概念。本章还简要讨论了与实时软件设计相关的技术问题，包括实时操作系统和任务调度。第二部分  实时软件设计方法第4章“实时嵌入式系统软件设计方法概述”  本章概述了实时嵌入式系统软件设计方法，该方法称为COMET/RTE（Concurrent Object Modeling and Architectural Design Method for Real-Time Embedded systems），它使用了SysML、UML以及MARTE可视化建模语言和表示法。本章还描述了COMET/RTE的迭代系统和软件生命周期以及与生命周期的对比，然后描述了使用COMET/RTE的主要步骤。第5章“SysML和UML实时嵌入式系统结构化建模”  本章描述了如何使用SysML和UML将结构化建模作为一种综合方法用于包含软硬件组件的嵌入式系统的系统和软件建模，还描述了问题域的结构化建模、硬件/软件系统环境下的结构化建模、硬件/软件边界建模、软件系统环境下的结构化建模、硬件/软件接口定义以及系统部署建模。第6章“实时嵌入式系统用例建模”  本章描述了如何将用例建模从系统工程和软件工程视角应用于实时嵌入式系统。在概述了用例的基本原理后，重点放在获取实时和嵌入式系统的功能和非功能需求方面。本章还解释了系统用例/角色和软件用例/角色之间的区别。第7章“实时嵌入式系统状态机”  本章描述了状态机建模概念，这对反应式（reactive）实时系统尤其重要。这一章涵盖了事件、状态、条件、动作和活动、进入和退出动作、组合状态以及具有顺序和正交子状态的层次状态机，还解决了开发协作状态机、状态机继承以及从用例导出状态机过程中的问题。第8章“为实时嵌入式软件构造对象和类”  本章描述了软件类和对象的识别与分类，重点描述了类在实时软件中所起的作用，包括边界、控制和实体类。本章还描述了每个对象分类对应的行为模式。第9章“实时嵌入式软件动态交互建模”  本章描述了动态交互建模概念，为每个用例开发了交互图，包括主场景和可选场景。讨论了依赖于状态的实时嵌入式系统，介绍了依赖于状态的对象交互的动态交互建模。本章还描述了状态机和交互图是如何相互关联的，以及如何使它们相互保持一致。0章“实时嵌入式系统软件体系结构”  本章介绍了分布式实时嵌入式系统软件体系结构概念，描述了软件体系结构设计（Software Architectural Design）中的问题，阐述了开发软件体系结构多视图模型的益处。本章还介绍了软件组件和基于组件的软件体系结构，仔细地说明了从需求分析到体系结构设计的转变过程，并描述了子系统设计中的关注点分离和子系统构造标准，讨论了子系统消息通信接口的设计。1章“实时嵌入式系统软件体系结构模式”  本章描述了体系结构设计模式在开发实时软件体系结构中的作用，概述了软件体系结构模式，包括总体结构和通信模式。本章还描述了实时系统的体系结构模式，包括分层模式、实时控制模式、客户/服务模式、代理模式和基于事件的订阅/通知模式。2章“基于组件的实时嵌入式系统软件体系结构”  本章描述了如何将分布式实时体系结构设计成基于组件的软件体系结构，该结构可以部署到分布式环境中的多个节点上；描述了组件设计问题，包括复合和简单组件、具有供给和需求接口的组件接口设计、端口和连接器；还描述了服务组件和分布式软件连接器的设计，说明了组件配置和部署问题。3章“并发实时软件任务设计”  本章描述了使用MARTE实时建模表示法进行并发任务设计；描述了并发任务构造，包括事件驱动的任务、周期任务和需求驱动的任务；还描述了对象的任务聚簇；描述了任务接口的设计，包括同步和异步消息通信、事件同步以及通过被动对象通信；描述了不同类型的消息通信对软件体系结构并发行为的影响。4章“实时软件详细设计”  本章描述了并发任务的详细设计，描述了嵌套被动类组合任务的设计，通过互斥、多读者/作者和监视器描述了访问被动类的任务同步，介绍了用于任务间通信的连接器的设计，简要介绍了作为Java线程的并发任务的实现。5章“实时软件产品线体系结构设计”  本章描述了实时软件产品线的特点，解释了功能建模以及建模共和差异方面的重要概念，解释了如何在用例、静态和动态模型以及软件体系结构中建模差异。本章接着描述了在软件产品线体系结构建模和可变组件，介绍了产品线工件的软件应用工程。第三部分  实时软件设计分析6章“实时嵌入式系统的系统和软件质量属”  本章描述了系统和软件的质量属以及如何将它们用于评估实时嵌入式系统和软件体系结构的质量。系统质量属包括可伸缩（scalability）、能（performance）、可用（availability）、安全（safety）和信息安全（security）。软件质量属包括可维护（maintainability）、可修改（modifiability）、可测试（testability）、可跟踪（traceability）和可重用（reusability）。本章还讨论了COMET/RTE实时设计方法是如何支持系统和软件质量属的。7章“实时软件设计的能分析”  本章介绍了分析实时嵌入式软件设计能的方法；描述了分析设计能的两种方法—实时调度理论和事件序列分析，并将它们结合起来分析并发多任务设计；描述了的实时调度算法，包括截止期限单调调度、动态优先级调度和多处理器调度；还描述了包括多核、多处理器系统能的实际分析方法，讨论了能参数的估计和测量。8章“能分析应用于实时软件设计”  本章将7章中描述的实时能分析概念和理论应用到轻轨控制系统的实时设计中，用实时调度理论和事件序列分析两种方法分析并发多任务设计能，并对单处理器和多处理器系统设计能进行了分析和比较。第四部分  实时嵌入式系统软件设计案例研究9章“微波炉控制系统案例研究”  本章描述了如何将COMET/RTE设计方法应用到一个消费类产品—微波炉控制系统（Microwave Oven Control System）的嵌入式实时软件设计中。第20章“铁路道口控制系统案例研究”  本章描述了如何将COMET/RTE设计方法应用于严苛安全要求的铁路道口控制系统的嵌入式实时软件设计中。2章“轻轨控制系统案例研究”  本章描述了如何将COMET/RTE设计方法应用于嵌入式轻轨控制系统的设计中，在该系统中，驾驶列车的自动控制必须安全、实时地完成。第22章“泵控制系统案例研究”  本章描述了一种简明的案例研究，即如何将COMET/RTE设计方法应用于泵控制系统的嵌入式实时软件设计中。第章“高速公路收费控制系统案例研究”  本章描述了一种简明的案例研究，即如何将COMET/RTE设计方法应用于高速公路收费控制系统的分布式嵌入式实时软件设计中。附录A“本书中使用的约定”  描述了命名需求、分析和设计工件的约定，描述了交互图上的消息序列编号的约定。附录B“软件体系结构模式目录”  使用标准设计模式模板描述了每种体系结构和通信模式。附录C“并发任务伪码模板”  提供了几种不同类型的并发任务伪码。附录D“教学考虑”  给出了学术类（和高年级生）课程教学大纲和工业类课程教学大纲。

本书适合作为技术参考书，通过系统建模方法用于设计、分析和开发大规模实时嵌入式系统和应用，也可作为计算机科学、软件工程、系统工程和计算机工程专业生或的教材。