A Cyber-Physical Systems Approach

552 Pages·2014·21.42 MB·English

Copyright ⃝c 2011-2014
Edward Ashford Lee & Sanjit Arunkumar Seshia
All rights reserved
Edition 1.5, Version 1.50
ISBN 978-1-312-42740-2
Please cite this book as:
E. A. Lee and S. A. Seshia,
Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach,
Edition 1.5, LeeSeshia.org, 2014.
This book is dedicated to our families.
Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1 Introduction 1
1.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Motivating Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 The Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
I Modeling Dynamic Behaviors 17
2 Continuous Dynamics 19
2.1 Newtonian Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Actor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Properties of Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Feedback Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
v
3 Discrete Dynamics 43
3.1 Discrete Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 The Notion of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Finite-State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Extended State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5 Nondeterminism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6 Behaviors and Traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4 Hybrid Systems 79
4.1 Modal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2 Classes of Hybrid Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5 Composition of State Machines 109
5.1 Concurrent Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Hierarchical State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6 Concurrent Models of Computation 135
6.1 Structure of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.2 Synchronous-Reactive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3 Dataflow Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.4 Timed Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
vi Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems
II Design of Embedded Systems 177
7 Sensors and Actuators 179
7.1 Models of Sensors and Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.2 Common Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.3 Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8 Embedded Processors 209
8.1 Types of Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.2 Parallelism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9 Memory Architectures 239
9.1 Memory Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.2 Memory Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.3 Memory Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10 Input and Output 261
10.1 I/O Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.2 Sequential Software in a Concurrent World . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11 Multitasking 293
11.1 Imperative Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.2 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.3 Processes and Message Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems vii
11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
12 Scheduling 321
12.1 Basics of Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
12.2 Rate Monotonic Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3 Earliest Deadline First . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
12.4 Scheduling and Mutual Exclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.5 Multiprocessor Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
12.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
III Analysis and Verification 355
13 Invariants and Temporal Logic 357
13.1 Invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.2 Linear Temporal Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
13.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14 Equivalence and Refinement 375
14.1 Models as Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.2 Type Equivalence and Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.3 Language Equivalence and Containment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
14.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.5 Bisimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
14.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15 Reachability Analysis and Model Checking 403
viii Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems
15.1 Open and Closed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
15.2 Reachability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
15.3 Abstraction in Model Checking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
15.4 Model Checking Liveness Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
15.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
16 Quantitative Analysis 427
16.1 Problems of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
16.2 Programs as Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
16.3 Factors Determining Execution Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
16.4 Basics of Execution Time Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
16.5 Other Quantitative Analysis Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
16.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
IV Appendices 459
A Sets and Functions 461
A.1 Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
A.2 Relations and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
A.3 Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
B Complexity and Computability 471
B.1 Effectiveness and Complexity of Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 472
B.2 Problems, Algorithms, and Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
B.3 Turing Machines and Undecidability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
B.4 Intractability: P and NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
B.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems ix
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
Bibliography 489
Notation Index 506
Index 509
x Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems