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)設計中的一些重要概念。接下來詳細描述面向?qū)ο蠛突�于組件的實時嵌入式軟件體系結構與詳細設計的方法。通過對一系列實時嵌入式系統(tǒng)案例的詳細研究，進一步闡明了設計方法和設計決策的影響。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行編寫。
本書面向?qū)�業(yè)領域和學術領域，特別是研究生階段的人員。盡管書中給出了簡要介紹，這里還是假設讀者已具備UML和面向?qū)ο蠓矫娴幕�礎知識。
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方法綜述。本書關注的焦點是嵌入式系統(tǒng)實時軟件設計，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，用于復雜的、實時的和嵌入式的軟件分析和設計。本書的特點有：
1.描述了面向?qū)ο蟮膶崟r嵌入式系統(tǒng)軟件設計的基本概念。包括并發(fā)任務，面向?qū)ο蟮男畔㈦[藏、類和繼承，分布式組件技術，軟件體系結構，有限狀態(tài)機，以及采用實時調(diào)度的實時軟件設計性能分析。
2.詳細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計方法，這適用于大型復雜的工業(yè)軟件開發(fā)。
3.介紹了實時軟件設計和系統(tǒng)集成幾個重要的設計概念，包括并發(fā)性、對象、組件、服務、體系結構設計模式、軟件生產(chǎn)線和實時調(diào)度。
4.介紹了幾個詳細的案例研究，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)需求分析到詳細軟件設計的細節(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行編寫。
5.在附錄中為詳細任務設計提供了體系結構設計模式和偽代碼模板，包括詞匯表和參考文獻以及工業(yè)和學術領域相關課程講授方面的考慮。
本書讀者
本書面向?qū)�業(yè)領域和學術領域讀者。專業(yè)領域讀者包括系統(tǒng)工程師、軟件工程師、計算機工程師、分析師、架構師、設計師、程序員、項目負責人、技術經(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)的設計與開發(fā)。學術領域讀者包括計算機科學、軟件工程、系統(tǒng)工程和計算機工程方面的高年級本科生與研究生，以及這些領域中的研究人員。
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)實時軟件設計方法概述，第5～18章給出了實時軟件設計較深入的內(nèi)容，第19～23章給出了詳細的案例研究。
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。熟悉軟件設計概念的讀者可以跳過第3章。對實時軟件設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)驗的軟件設計師也可以使用本書作為參考書，隨著項目進入各特定階段，如需求、分析和設計過程，可以參閱相關章節(jié)。每一章都是相對獨立的，例如，人們可隨時參考第5章來討論使用SysML和UML進行結構化建模，用例描述可參考第6章，狀態(tài)機描述可參考第7章。第10章可以作為實時軟件體系結構概述方面的參考。第11章和附錄B作為軟件體系結構模式方面的參考。第12章作為基于組件的軟件體系結構方面的參考。第13章作為通過MARTE進行并發(fā)實時任務設計方面的參考。第15章可以作為軟件產(chǎn)品線設計方面的參考內(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、分析和設計各階段所做出的決策。
本書組織結構
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）的新興領域，其中實時軟件是其關鍵組件。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方法進行實時設計。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“實時軟件設計和體系結構概念”　本章描述了并發(fā)面向?qū)ο髮崟r嵌入式系統(tǒng)軟件設計中的關鍵概念以及開發(fā)系統(tǒng)體系結構方面的重要概念，引入了并發(fā)處理概念，描述了并發(fā)任務之間通信和同步的問題，從應用于實時設計視角討論了一些通用的設計概念，包括面向?qū)ο笤O計中的信息隱藏和繼承概念、軟件體系結構和軟件組件概念。本章還簡要討論了與實時軟件設計相關的技術問題，包括實時操作系統(tǒng)和任務調(diào)度。
第二部分　實時軟件設計方法
第4章“實時嵌入式系統(tǒng)軟件設計方法概述”　本章概述了實時嵌入式系統(tǒng)軟件設計方法，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)結構化建模”　本章描述了如何使用SysML和UML將結構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構化建模、硬件/軟件系統(tǒng)環(huán)境下的結構化建模、硬件/軟件邊界建模、軟件系統(tǒng)環(huán)境下的結構化建模、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用于實時嵌入式系統(tǒng)。在概述了用例的基本原理后，重點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”　本章描述了狀態(tài)機建模概念，這對反應式（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，還解決了開發(fā)協(xié)作狀態(tài)機、狀態(tài)機繼承以及從用例導出狀態(tài)機過程中的問題。
第8章“為實時嵌入式軟件構造對象和類”　本章描述了軟件類和對象的識別與分類，重點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)機和交互圖是如何相互關聯(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)軟件體系結構”　本章介紹了分布式實時嵌入式系統(tǒng)軟件體系結構概念，描述了軟件體系結構設計（Software Architectural Design）中的問題，闡述了開發(fā)軟件體系結構多視圖模型的益處。本章還介紹了軟件組件和基于組件的軟件體系結構，仔細地說明了從需求分析到體系結構設計的轉(zhuǎn)變過程，并描述了子系統(tǒng)設計中的關注點分離和子系統(tǒng)構造標準，最后討論了子系統(tǒng)消息通信接口的設計。
第11章“實時嵌入式系統(tǒng)軟件體系結構模式”　本章描述了體系結構設計模式在開發(fā)實時軟件體系結構中的作用，概述了軟件體系結構模式，包括總體結構和通信模式。本章還描述了實時系統(tǒng)的體系結構模式，包括分層模式、實時控制模式、客戶/服務模式、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)軟件體系結構”　本章描述了如何將分布式實時體系結構設計成基于組件的軟件體系結構，該結構可以部署到分布式環(huán)境中的多個節(jié)點上；描述了組件設計問題，包括復合和簡單組件、具有供給和需求接口的組件接口設計、端口和連接器；還描述了服務組件和分布式軟件連接器的設計，說明了組件配置和部署問題。
第13章“并發(fā)實時軟件任務設計”　本章描述了使用MARTE實時建模表示法進行并發(fā)任務設計；描述了并發(fā)任務構造，包括事件驅(qū)動的任務、周期任務和需求驅(qū)動的任務；還描述了對象的任務聚簇；描述了任務接口的設計，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構并發(fā)行為的影響。
第14章“實時軟件詳細設計”　本章描述了并發(fā)任務的詳細設計，描述了嵌套被動類組合任務的設計，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同步，介紹了用于任務間通信的連接器的設計，簡要介紹了作為Java線程的并發(fā)任務的實現(xiàn)。
第15章“實時軟件產(chǎn)品線體系結構設計”　本章描述了實時軟件產(chǎn)品線的特點，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構中建模差異性。本章接著描述了在軟件產(chǎn)品線體系結構中建模共性和可變組件，介紹了產(chǎn)品線工件的軟件應用工程。
第三部分　實時軟件設計分析
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)和軟件體系結構的質(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“實時軟件設計的性能分析”　本章介紹了分析實時嵌入式軟件設計性能的方法；描述了分析設計性能的兩種方法—實時調(diào)度理論和事件序列分析，并將它們結合起來分析并發(fā)多任務設計；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“性能分析應用于實時軟件設計”　本章將第17章中描述的實時性能分析概念和理論應用到輕軌控制系統(tǒng)的實時設計中，用實時調(diào)度理論和事件序列分析兩種方法分析并發(fā)多任務設計性能，并對單處理器和多處理器系統(tǒng)設計性能進行了分析和比較。
第四部分　實時嵌入式系統(tǒng)軟件設計案例研究
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設計方法應用到一個消費類產(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設計方法應用于嚴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設計方法應用于嵌入式輕軌控制系統(tǒng)的設計中，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設計方法應用于泵控制系統(tǒng)的嵌入式實時軟件設計中。
第23章“高速公路收費控制系統(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設計方法應用于高速公路收費控制系統(tǒng)的分布式嵌入式實時軟件設計中。
附錄A“本書中使用的約定”　描述了命名需求、分析和設計工件的約定，描述了交互圖上的消息序列編號的約定。
附錄B“軟件體系結構模式目錄”　使用標準設計模式模板描述了每種體系結構和通信模式。
附錄C“并發(fā)任務偽碼模板”　提供了幾種不同類型的并發(fā)任務偽碼。
附錄D“教學考慮”　給出了學術類（研究生和高年級本科生）課程教學大綱和工業(yè)類課程教學大綱。