实时系统软件基础 (2010 年度畅销榜NO.9232 )

本书叙述了实时系统软件的基础知识及设计方法，并把实时多任务操作系统、实时控制局域网协议以及分布式实时系统，作为一个有机整体来进行叙述。全书从实践出发，首先介绍了实时系统是如何建立的，叙述了实时任务管理、时钟管理、内存管理、设备管理以及文件系统等的实现机制；接着说明了实时系统中局域网软件的若干设计问题，介绍了三个不同风格的局域网协议，进而介绍了一个用于实时控制的局域网协议——PROWAY C协议的实现过程，并在此基础上介绍了分布式系统中任务通信的实现机制；最后介绍了分布式系统中的若干设计问题。\r\n\r\n 本书可作为大学计算机专业本科生、研究生的参考教材，也可供从事实时控制系统设计和研制的工程技术人员参考。\r\n
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第1章 引言 \r\n\r\n 1. 1 什么是实时系统 \r\n\r\n 1. 2 实时系统的特点 \r\n\r\n 1. 3 分布式实时系统的引入 \r\n\r\n 1. 4 分布式实时系统的优点 \r\n\r\n 1. 5 分布式实时系统存在的问题 \r\n\r\n 1. 6 实时操作系统是实时系统软件的基础 \r\n\r\n \r\n\r\n 第2章 实时操作系统概述 \r\n\r\n 2. 1 实时操作系统的功能 \r\n\r\n 2. 1. 1 系统资源的管理者 \r\n\r\n 2. 1. 2 硬件功能的扩充 \r\n\r\n 2. 2 系统调用命令 \r\n\r\n 2. 2. 1 实时操作系统与实时任务的接口 \r\n\r\n 2. 2. 2 监控态与用户态 \r\n\r\n 2. 2. 3 中断和中断处理 \r\n\r\n 2. 2. 4 系统调用命令的实现 \r\n\r\n 2. 3 用户实时应用系统的建立和启动 \r\n\r\n 2. 3. 1 'ROOT'任务和'IDLE'任务 \r\n\r\n 2. 3. 2 'BACKGROUND'任务和'IDLE'任务 \r\n\r\n 2. 4 实时操作系统的内部结构 \r\n\r\n 2. 4. 1 整体式模型 \r\n\r\n 2. 4. 2 客户／服务器模型 \r\n\r\n \r\n\r\n 第3章 实时任务管理 \r\n\r\n 3. 1 实时任务的概念 \r\n\r\n 3. 1. 1 用顺序执行的程序实现实时应用系统 \r\n\r\n 3. 1. 2 用并发执行的任务实现实时应用系统 \r\n\r\n 3. 1. 3 实时任务的分解 \r\n\r\n 3. 1. 4 实时任务的状态 \r\n\r\n 3. 1. 5 任务控制块TCB \r\n\r\n 3. 1. 6 操作任务队列和任务状态的几个函数 \r\n\r\n 3. 2 实时任务的调度 \r\n\r\n 3. 2. 1 速率单调算法 \r\n\r\n 3. 2. 2 截止期最早优先算法 \r\n\r\n 3. 2. 3 可达截止期最早优先算法 \r\n\r\n 3. 2. 4 最小裕度算法 \r\n\r\n 3. 2. 5 其他的实时调度算法 \r\n\r\n 3. 2. 6 实时任务的可调度性 \r\n\r\n 3. 3 实时任务的管理 \r\n\r\n 3. 3. 1 实时任务的建立 \r\n\r\n 3. 3. 2 实时任务的启动 \r\n\r\n 3. 3. 3 实时任务的重新启动 \r\n\r\n 3. 3. 4 实时任务的暂停运行 \r\n\r\n 3. 3. 5 实时任务阶恢复运行 \r\n\r\n 3. 3. 6 实时任务的退出运行 \r\n\r\n 3. 3. 7 返回码的处理 \r\n\r\n 3. 3. 8 其他任务管理的系统调用命令 \r\n\r\n 3. 4 实时任务的通信. 同步和互斥问题 \r\n\r\n 3. 4. 1 临界区 \r\n\r\n 3. 4. 2 生产者-消费者问题 \r\n\r\n 3. 5 信号量 \r\n\r\n 3. 5. 1 信号量的数据结构 \r\n\r\n 3. 5. 2 信号量的建立 \r\n\r\n 3. 5. 3 信号量的操作 \r\n\r\n 3. 5. 4 信号量的删除 \r\n\r\n 3. 5. 5 利用信号量进行互斥控制 \r\n\r\n 3. 5. 6 利用信号量解决生产者和消费者问题 \r\n\r\n 3. 6 消息传递和邮箱通信 \r\n\r\n 3. 6. 1 消息的数据结构 \r\n\r\n 3. 6. 2 消息的发送 \r\n\r\n 3. 6. 3 消息的接收 \r\n\r\n 3. 6. 4 邮箱和邮箱通信 \r\n\r\n 3. 6. 5 邮箱的建立 \r\n\r\n 3. 6. 6 邮件的发送和接收 \r\n\r\n 3. 6. 7 撤消邮箱 \r\n\r\n 3. 6. 8 利用邮箱通信解决生产者-消费者问题 \r\n\r\n 3. 7 事件 \r\n\r\n 3. 7. 1 事件和事件组 \r\n\r\n 3. 7. 2 事件及事件组的建立和撤消 \r\n\r\n 3. 7. 3 事件的接收和发送 \r\n\r\n 3. 7. 4 事件的应用例子 \r\n\r\n 3. 7. 5 事件中断 \r\n\r\n 3. 7. 6 事件中断的实现机制 \r\n\r\n 3. 7. 7 事件中断服务程序及中断屏蔽的设置 \r\n\r\n 3. 7. 8 事件中断的发生及从事件中断服务程序返回 \r\n\r\n \r\n\r\n 第4章 时钟管理 \r\n\r\n 4. 1 定时器硬件 \r\n\r\n 4. 2 时钟管理功能 \r\n\r\n 4. 3 时钟中断和时钟任务 \r\n\r\n 4. 3. 1 时钟中断处理程序 \r\n\r\n 4. 3. 2 时钟任务 \r\n\r\n 4. 4 系统日历时间的维护 \r\n\r\n 4. 4. 1 日历时间的获取 \r\n\r\n 4. 4. 2 日历时间的维护 \r\n\r\n 4. 4. 3 系统日历时间的实现 \r\n\r\n 4. 4. 4 系统时钟和实际时钟的同步 \r\n\r\n 4. 4. 5 时钟同步时的时间补偿 \r\n\r\n 4. 5 软件定时器 \r\n\r\n 4. 5. 1 软件定时器的组织 \r\n\r\n 4. 5. 2 时钟任务中的消息传递 \r\n\r\n 4. 5. 3 时钟任务的实现 \r\n\r\n 4. 5. 4 内核的处理 \r\n\r\n \r\n\r\n 第5章 存储器管理 \r\n\r\n 5. 1 内存管理概述 \r\n\r\n 5. 2 存储器空间的管理和分配算法 \r\n\r\n 5. 2. 1 使用位图的内存管理 \r\n\r\n 5. 2. 2 使用链表的内存管理 \r\n\r\n 5. 2. 3 使用链表的内存空间分配算法 \r\n\r\n 5. 3 实时任务的数据段 \r\n\r\n 5. 3. 1 实时任务的数据段管理 \r\n\r\n 5. 3. 2 数据段的分配 \r\n\r\n 5. 3. 3 数据段的释放 \r\n\r\n 5. 4 分页存储管理 \r\n\r\n 5. 4. 1 分页原理 \r\n\r\n 5. 4. 2 分页存储管理的实现 \r\n\r\n 5. 4. 3 分页管理的虚拟存储器 \r\n\r\n 5. 4. 4 先进先出的页面交换算法 \r\n\r\n 5. 4. 5 最近最久未用的页面交换算法 \r\n\r\n 5. 5 分段存储管理 \r\n\r\n 5. 5. 1 分段原理 \r\n\r\n 5. 5. 2 分段存储管理的实现 \r\n\r\n 5. 5. 3 段页式的存储管理 \r\n\r\n \r\n\r\n 第6章 设备管理 \r\n\r\n 6. 1 外部设备概述 \r\n\r\n 6. 1. 1 外部设备的操作 \r\n\r\n 6. 1. 2 外部设备的分类 \r\n\r\n 6. 2 外部设备的软件结构 \r\n\r\n 6. 2. 1 设备管理软件的设计问题 \r\n\r\n 6. 2. 2 设备描述符 \r\n\r\n 6. 2. 3 用户空间中的数据输入输出处理程序 \r\n\r\n 6. 2. 4 设备分派程序 \r\n\r\n 6. 2. 5 设备管理程序 \r\n\r\n 6. 2. 6 设备驱动程序 \r\n\r\n 6. 2. 7 设备中断程序 \r\n\r\n 6. 2. 8 设备输入输出的缓冲 \r\n\r\n 6. 3 设备管理的实现过程 \r\n\r\n 6. 3. 1 系统调用命令的执行过程 \r\n\r\n 6. 3. 2 设备分派程序 \r\n\r\n 6. 4 打印机输出 \r\n\r\n 6. 4. 1 打印机接口 \r\n\r\n 6. 4. 2 有关打印机的数据结构 \r\n\r\n 6. 4. 3 打印机管理任务 \r\n\r\n 6. 4. 4 打印机输出任务 \r\n\r\n 6. 4. 5 打印机中断处理程序 \r\n\r\n 6. 4. 6 打印机Spooler \r\n\r\n 6. 4. 7 Spo01收容任务 \r\n\r\n 6. 4. 8 Spool输出任务 \r\n\r\n 6. 5 串口输入输出管理 \r\n\r\n 6. 5. 1 RS-232接口 \r\n\r\n 6. 5. 2 流控制和数据帧格式 \r\n\r\n 6. 5. 3 串口输出的管理 \r\n\r\n 6. 5. 4 串口输出中断处理程序 \r\n\r\n 6. 5. 5 有关串口输入的数据结构 \r\n\r\n 6. 5. 6 串口输入管理任务 \r\n\r\n 6. 5. 7 串口输入任务 \r\n\r\n 6. 5. 8 串口输入中断处理程序 \r\n\r\n 6. 6 控制台输入输出管理 \r\n\r\n 6. 6. 1 键盘控制器和视频显示卡 \r\n\r\n 6. 6. 2 原始输入方式和加工输入方式 \r\n\r\n 6. 6. 3 键位映射表 \r\n\r\n 6. 6. 4 特殊字符的处理 \r\n\r\n 6. 6. 5 字符输入的回显 \r\n\r\n 6. 6. 6 控制台参数表和键盘输入缓冲池 \r\n\r\n 6. 6. 7 键盘输入管理 \r\n\r\n 6. 6. 8 控制台管理任务 \r\n\r\n 6. 6. 9 键盘输入任务 \r\n\r\n 6. 6. 10 键盘中断处理程序 \r\n\r\n 6. 6. 11 C肛输出任务 \r\n\r\n \r\n\r\n 第7章 文件系统 \r\n\r\n 7. 1 文件 \r\n\r\n 7. 1. 1 文件的命名 \r\n\r\n 7. 1. 2 文件的内部结构 \r\n\r\n 7. 1. 3 文件类型 \r\n\r\n 7. 1. 4 文件属性 \r\n\r\n 7. 1. 5 文件描述符 \r\n\r\n 7. 1. 6 有关文件操作的系统调用命令 \r\n\r\n 7. 2 目录 \r\n\r\n 7. 2. 1 目录的内部结构, 目录登记项 \r\n\r\n 7. 2. 2 文件系统的组织. 根目录 \r\n\r\n 7. 2. 3 文件的路径名 \r\n\r\n 7. 3 磁盘 \r\n\r\n 7. 3. 1 磁盘的寻址方式, 柱面. 磁道和扇区 \r\n\r\n 7. 3. 2 磁盘控制器接口 \r\n\r\n 7. 3. 3 磁盘空间的管理 \r\n\r\n 7. 3. 4 磁盘调度算法 \r\n\r\n 7. 3. 5 提前读和滞后写 \r\n\r\n 7. 3. 6 磁盘缓冲算法 \r\n\r\n 7. 4 文件系统的实现 \r\n\r\n 7. 4. 1 有关文件系统的数据结构 \r\n\r\n 7. 4. 2 文件系统的实现过程 \r\n\r\n 7. 4. 3 文件服务任务 \r\n\r\n 7. 4, 4 目录和文件的建立. 文件路径名检索 \r\n\r\n 7. 4. 5 工作目录的设置 \r\n\r\n 7. 4. 6 文件的打开和读写 \r\n\r\n 7. 4. 7 磁盘任务 \r\n\r\n 7. 4. 8 磁盘驱动程序和中断处理程序 \r\n\r\n \r\n\r\n 第8章 死锁 \r\n\r\n 8. 1 死锁原理及处理策略 \r\n\r\n 8. 2 死锁的检测和恢复 \r\n\r\n 8. 2. 1 单个资源类型的死锁检测 \r\n\r\n 8. 2. 2 多个资源类型的死锁检测 \r\n\r\n 8. 2. 3 死锁的恢复 \r\n\r\n 8. 3 死锁的避免和预防 \r\n\r\n 8. 3. 1 任务的运行轨迹和不安全区 \r\n\r\n 8. 3. 2 安全和不安全状态 \r\n\r\n 8. 3. 3 单种资源的银行家算法 \r\n\r\n 8. 3. 4 多种资源的银行家算法 \r\n\r\n 8. 3. 5 死锁的预防 \r\n\r\n 8. 4 鸵鸟策略 \r\n\r\n \r\n\r\n 第9章 实时系统的局域网 \r\n\r\n 9. 1 局域网的拓扑结构 \r\n\r\n 9. 1. 1 总线型结构 \r\n\r\n 9. 1. 2 环型结构 \r\n\r\n 9. 1. 3 星型结构 \r\n\r\n 9. 1. 4 实时系统中主机与通信网的连接 \r\n\r\n 9. 2 实时系统中局域网软件的设计问题 \r\n\r\n 9. 2. 1 局域网协议的分层 \r\n\r\n 9. 2. 2 服务. 接口和协议 \r\n\r\n 9. 2. 3 面向连接的服务和无连接服务 \r\n\r\n 9. 2. 4 服务原语 \r\n\r\n 9. 2. 5 实时系统对局域网的需求 \r\n\r\n 9. 3 局域网的存取控制 \r\n\r\n 9. 3. 1 集中式轮询的存取控制 \r\n\r\n 9. 3. 2 静态分配信道的存取控制 \r\n\r\n 9. 3. 3 令牌存取控制 \r\n\r\n 9. 3. 4 ALOHA协议和载波侦听多路存取协议 \r\n\r\n 9. 4 IEEE 802局域网标准的体系结构 \r\n\r\n 9. 5 IEEE802. 2标准：逻辑链路控制子层LLC协议 \r\n\r\n 9. 5. 1 LLC子层提供的服务和接口 \r\n\r\n 9. 5. 2 LLC协议数据单元四U的结构 \r\n\r\n 9. 5. 3 LLC的无连接协议 \r\n\r\n 9. 5. 4 LLC的面向连接的协议 \r\n\r\n 9. 6 IEEE802. 3标准：带检测的载波侦听协议 \r\n\r\n 9. 6. 1 IEEE802. 3的帧格式 \r\n\r\n 9. 6. 2 解决冲突的算法 \r\n\r\n 9. 6. 3 802. 3MAC子层协议的实现 \r\n\r\n 9. 7 IEEE802. 4标准：令牌总线协议 \r\n\r\n 9. 7. 1 IEEE 802. 4标准的体系结构 \r\n\r\n 9. 7. 2 IEEE 802. 4标准的帧格式 \r\n\r\n 9. 7. 3 令牌总线协议 \r\n\r\n 9. 8 IEEE 802. 5标准：环型网协议 \r\n\r\n 9. 8. 1 IEEE 802. 5标准的符号编码和帧格式 \r\n\r\n 9. 8. 2 环路优先级调度算法 \r\n\r\n 9. 8. 3 环路建立和维护 \r\n\r\n 9. 9 三种协议的比较 \r\n\r\n \r\n\r\n 第10章 用于实时控制的局域网协议 \r\n\r\n 10. 1 PROWAYC概述 \r\n\r\n 10. 2 PROWAYC协议的服务规范 \r\n\r\n 10. 2. 1 PLC子层提供给PLC用户的服务 \r\n\r\n 10. 2. 2 PLC的协议数据单元格式 \r\n\r\n 10. 2. 3 MAC子层提供给PLC子层的服务 \r\n\r\n 10. 2. 4 通信节点的管理实体提供给用户的服务 \r\n\r\n 10. 3 PROWAY C逻辑链路控制子层 \r\n\r\n 10. 3. 1 PLC子层和PLC用户的接口 \r\n\r\n 10. 3. 2 共享存储器的存取控制 \r\n\r\n 10. 3. 3 PLC子层. MAC子层及管理实体的接口 \r\n\r\n 10. 3. 4 PLC子层启动站的操作过程 \r\n\r\n 10. 3. 5 PLC子层响应站的操作过程 \r\n\r\n 10. 4 PROWAY C的介质存取控制子层 \r\n\r\n 10. 4. 1 PROWAYC的符号编码 \r\n\r\n 10. 4. 2 MAC子层的帧格式 \r\n\r\n 10, 4. 3 MAC子层功能概述 \r\n\r\n 10. 4. 4 时间片和响应窗口 \r\n\r\n 10. 4. 5 令牌逻辑环路的初始化. 令牌发布和竞争 \r\n\r\n 10. 4. 6 令牌逻辑环路的建立. 争用下一站 \r\n\r\n 10. 4. 7 新节点入环和老节点退环 \r\n\r\n 10. 4. 8 令牌传递和聋站的处理 \r\n\r\n 10. 4. 9 优先级存取控制 \r\n\r\n 10, 4. 10 存取控制机的工作过程 \r\n\r\n \r\n\r\n 第11章 分布式实耐系统中任务的通信 \r\n\r\n 11. 1 任务通信概述 \r\n\r\n 11. 2 面向连接的通信 \r\n\r\n 11. 2. 1 信口和虚链路 \r\n\r\n 11. 2. 2 信口的动态分配. 信口控制块 \r\n\r\n 11. 2. 3 网络通信的系统调用命令 \r\n\r\n 11. 3 网络通信的实现 \r\n\r\n 11. 3. 1 主机系统中的网络管理程序 \r\n\r\n 11. 3. 2 参数传递和数据封装及卸装过程 \r\n\r\n 11. 3. 3 网络控制任务的实现 \r\n\r\n 11. 3. 4 网络发送任务的实现 \r\n\r\n 11. 3. 5 网络接收任务的实现 \r\n\r\n 11. 3. 6 任务的通信与同步过程 \r\n\r\n \r\n\r\n 第12章 分布式系统设计的若干问题 \r\n\r\n 12. 1 分布式系统中事件的因果关系 \r\n\r\n 12. 1. 1 '早于(happens before)'关系 \r\n\r\n 12. 1. 2 事件的时空视图 \r\n\r\n 12. 1. 3 事件的交叉视图 \r\n\r\n 12. 2 分布式系统中的全局状态 \r\n\r\n 12. 2. 1 时空视图中的全局状态 \r\n\r\n 12. 2. 2 全局状态的形式定义 \r\n\r\n 12. 2. 3 全局状态的'快照'算法 \r\n\r\n 12. 3 逻辑时钟和物理时钟. 时钟同步 \r\n\r\n 12. 3. 1 标量逻辑时钟 \r\n\r\n 12. 3. 2 向量逻辑时钟 \r\n\r\n 12. 3. 3 物理时钟 \r\n\r\n 12. 3. 4 Cristian时钟同步算法 \r\n\r\n 12. 3. 5 Berkeley的时钟同步算法 \r\n\r\n 12. 3. 6 分布式的平均算法 \r\n\r\n 12. 4 分布式系统中的互斥 \r\n\r\n 12. 4. 1 集中式的互斥算法 \r\n\r\n 12. 4. 2 分布式的互斥算法 \r\n\r\n 12. 5 分布式系统中的死锁检测 \r\n\r\n 12. 5. 1 集中式的死锁检测 \r\n\r\n 12. 5. 2 分布式的死锁检测 \r\n\r\n 12. 6 协调者的选举 \r\n\r\n 12. 6. 1 Bully算法 \r\n\r\n 12. 6. 2 环算法 \r\n\r\n 12. 7 容错 \r\n\r\n 12. 7. 1 组件和处理器故障 \r\n\r\n 12. 7. 2 同步系统和异步系统 \r\n\r\n 12. 7. 3 冗余 \r\n\r\n 12. 7. 4 主动复制冗余和主机备用冗余 \r\n\r\n 12. 7. 5 拜占庭将军问题 \r\n\r\n 12. 8 分布式实时系统的负载分配和调度 \r\n\r\n 12. 8. 1 分布式系统的负载分配 \r\n\r\n 12. 8. 2 实时系统中任务的组织和划分 \r\n\r\n 12. 8. 3 任务的实时调度 \r\n\r\n 12. 8. 4 任务优先图和甘特图(Gantt Chart) \r\n\r\n 参考文献 \r\n
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出版社约我写一本有关实时操作系统方面的书籍. 目前关于操作系统的书籍和教材, 理论方面的偏多, 如何设计和实践的偏少. 因此, 本书就围绕着模拟一个实时操作系统的设计和实现这一内容来叙述. 目前, 已经很少用一台处理器组成实时系统, 因此, 书中又增添了有关局域网软件的设计和分布式系统的一些内容.

第1章简单地介绍实时系统的一些特点, 叙述引入分布式实时系统的必要性和必然性. 第2章叙述实时操作系统的一些基本概念, 从实现的角度出发, 着重说明计算机的执行, 是如何从用户的应用程序, 进入实时操作系统, 又如何从后者返回到前者. 实时任务的管理, 是实时操作系统的核心, 第3章叙述实时任务的分解和调度原则, 介绍了实时任务的管理. 通信以及同步和互斥的问题. 在这里, 叙述了消息传递. 邮箱通信. 信号量. 事件控制等功能的设计和实现. 它是后面各章的基础. 时钟设备是实时系统的重要设备, 在第4章叙述了各种软件定时器的设计和实现问题. 第5章从实时系统的角度出发, 来讨论内存储器的管理问题. 第6章叙述设备的管理, 介绍了有关设备管理软件的设计原则, 也涉及到如何实现对打印机. 串口输入输出. 控制台输入输出等设备的管理. 第7章介绍文件系统的设计和实现, 叙述了磁盘的调度. 缓冲技术, 以及如何使用这些技术来实现一个文件系统. 第8章简单地介绍死锁原理和某些对策. 第9章介绍局域网软件设计的一些问题, 叙述了三个不同风格的局域网软件的设计. 第10章介绍一个用于实时控制的局域网协议以及实现它的一些细节. 第11章在第10章的基础上, 进一步介绍在分布式系统中, 任务之间的通信是如何实现的. 第12章简单地介绍了分布式实时系统中的若干问题, 包括分布式系统中事件的因果关系. 逻辑时钟和物理时钟. 时钟同步. 分布式系统中的互斥. 死锁. 容错以及负载分配和调度等问题.

本书是在许存权编辑的大力支持和努力下, 才得以出版的, 王淑娟同志为本书做了大量的录入工作, 在这里一并表示诚挚的谢意.

由于水平有限, 书中不当的地方, 敬请读者指正.

作者

2002年8月