Embedded Systems - Lee and Seshia, Introduction to Embedded

511 Pages·2012·22.64 MB·English

Copyright ⃝c 2011-2012
Edward Ashford Lee & Sanjit Arunkumar Seshia
All rights reserved
First Edition, Version 1.06
ISBN 978-0-557-70857-4
Please cite this book as:
E. A. Lee and S. A. Seshia,
Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach,
LeeSeshia.org, 2011.
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 41
3.1 Discrete Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 The Notion of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Finite-State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Extended State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5 Nondeterminism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Behaviors and Traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Hybrid Systems 77
4.1 Modal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Classes of Hybrid Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 Composition of State Machines 107
5.1 Concurrent Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Hierarchical State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6 Concurrent Models of Computation 131
6.1 Structure of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2 Synchronous-Reactive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3 Dataflow Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.4 Timed Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
vi Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems
II Design of Embedded Systems 173
7 Embedded Processors 175
7.1 Types of Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2 Parallelism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8 Memory Architectures 203
8.1 Memory Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2 Memory Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.3 Memory Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9 Input and Output 223
9.1 I/O Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.2 Sequential Software in a Concurrent World . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.3 The Analog/Digital Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10 Multitasking 265
10.1 Imperative Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.2 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.3 Processes and Message Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
10.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
11 Scheduling 293
11.1 Basics of Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems vii
11.2 Rate Monotonic Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.3 Earliest Deadline First . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
11.4 Scheduling and Mutual Exclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
11.5 Multiprocessor Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
11.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
III Analysis and Verification 327
12 Invariants and Temporal Logic 329
12.1 Invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
12.2 Linear Temporal Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
12.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13 Equivalence and Refinement 347
13.1 Models as Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
13.2 Type Equivalence and Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
13.3 Language Equivalence and Containment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
13.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.5 Bisimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
13.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14 Reachability Analysis and Model Checking 373
14.1 Open and Closed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.2 Reachability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.3 Abstraction in Model Checking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.4 Model Checking Liveness Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
viii Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
15 Quantitative Analysis 395
15.1 Problems of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.2 Programs as Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
15.3 Factors Determining Execution Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
15.4 Basics of Execution Time Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
15.5 Other Quantitative Analysis Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
15.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
IV Appendices 425
A Sets and Functions 427
A.1 Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
A.2 Relations and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
A.3 Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
B Complexity and Computability 437
B.1 Effectiveness and Complexity of Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 438
B.2 Problems, Algorithms, and Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
B.3 Turing Machines and Undecidability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
B.4 Intractability: P and NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
B.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
Bibliography 455
Notation Index 471
Index 473
Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems ix
x Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems