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Copyright ⃝c 2010 Edward Ashford Lee & Sanjit Arunkumar Seshia All rights reserved First Edition, Version 1.02 October 14, 2010 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, http://LeeSeshia.org, 2010. 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v 3 Discrete Dynamics 43 3.1 Discrete Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2 The Notion of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 Finite-State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4 Extended State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.5 Nondeterminism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.6 Behaviors and Traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 Hybrid Systems 79 4.1 Modal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2 Classes of Hybrid Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5 Composition of State Machines 107 5.1 Concurrent Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.2 Hierarchical State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6 Concurrent Models of Computation 131 6.1 Structure of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.2 Synchronous-Reactive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.3 Dataflow Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.4 Timed Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 vi Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems II Design of Embedded Systems 171 7 Embedded Processors 173 7.1 Types of Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.2 Parallelism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8 Memory Architectures 203 8.1 Memory Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8.2 Memory Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8.3 Memory Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 9 Input and Output 225 9.1 I/O Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 9.2 Sequential Software in a Concurrent World . . . . . . . . . . . . . 238 9.3 The Analog/Digital Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10 Multitasking 267 10.1 Imperative Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.2 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.3 Processes and Message Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 10.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 11 Scheduling 297 11.1 Basics of Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems vii 11.2 Rate Monotonic Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 11.3 Earliest Deadline First . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 11.4 Scheduling and Mutual Exclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 11.5 Multiprocessor Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 11.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 III Analysis and Verification 329 12 Invariants and Temporal Logic 331 12.1 Invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 12.2 Linear Temporal Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 12.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 13 Equivalence and Refinement 349 13.1 Models as Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 13.2 Type Equivalence and Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 13.3 Language Equivalence and Containment . . . . . . . . . . . . . . . 354 13.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 13.5 Bisimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 13.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 14 Reachability Analysis and Model Checking 377 14.1 Open and Closed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 14.2 Reachability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 14.3 Abstraction in Model Checking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 14.4 Model Checking Liveness Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 viii Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 15 Quantitative Analysis 399 15.1 Problems of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 15.2 Programs as Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 15.3 Factors Determining Execution Time . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 15.4 Basics of Execution Time Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 15.5 Other Quantitative Analysis Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 423 15.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 IV Appendices 429 A Sets and Functions 431 A.1 Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 A.2 Relations and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 A.3 Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 B Complexity and Computability 441 B.1 Effectiveness and Complexity of Algorithms . . . . . . . . . . . . . 442 B.2 Problems, Algorithms, and Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 B.3 Turing Machines and Undecidability . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 B.4 Intractability: P and NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 B.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 Bibliography 461 Notation Index 478 Index 481 Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems ix x Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems