First Edition, Version 1.08 - Lee and Seshia, Introduction to

519 Pages·2013·23.76 MB·English

Copyright ⃝c 2011-2012
Edward Ashford Lee & Sanjit Arunkumar Seshia
All rights reserved
First Edition, Version 1.08
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6 Concurrent Models of Computation 133
6.1 Structure of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2 Synchronous-Reactive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3 Dataflow Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.4 Timed Models of Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
vi Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems
II Design of Embedded Systems 175
7 Embedded Processors 177
7.1 Types of Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2 Parallelism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8 Memory Architectures 207
8.1 Memory Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.2 Memory Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.3 Memory Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9 Input and Output 227
9.1 I/O Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.2 Sequential Software in a Concurrent World . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.3 The Analog/Digital Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10 Multitasking 269
10.1 Imperative Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.2 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
10.3 Processes and Message Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11 Scheduling 297
11.1 Basics of Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems vii
11.2 Rate Monotonic Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
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 331
12 Invariants and Temporal Logic 333
12.1 Invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.2 Linear Temporal Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
13 Equivalence and Refinement 351
13.1 Models as Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
13.2 Type Equivalence and Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.3 Language Equivalence and Containment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
13.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
13.5 Bisimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
14 Reachability Analysis and Model Checking 379
14.1 Open and Closed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
14.2 Reachability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
14.3 Abstraction in Model Checking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
14.4 Model Checking Liveness Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
viii Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
15 Quantitative Analysis 401
15.1 Problems of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
15.2 Programs as Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
15.3 Factors Determining Execution Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
15.4 Basics of Execution Time Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
15.5 Other Quantitative Analysis Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
15.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
IV Appendices 431
A Sets and Functions 433
A.1 Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
A.2 Relations and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
A.3 Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
B Complexity and Computability 443
B.1 Effectiveness and Complexity of Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 444
B.2 Problems, Algorithms, and Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
B.3 Turing Machines and Undecidability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
B.4 Intractability: P and NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
B.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
Bibliography 461
Notation Index 477
Index 479
Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems ix
x Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems