Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach

521 Pages·2011·22.96 MB·English

by  E. A. Lee and S. A. Seshia

Copyright ⃝c 2011
Edward Ashford Lee & Sanjit Arunkumar Seshia
All rights reserved
First Edition, Version 1.03
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
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x Lee & Seshia, Introduction to Embedded Systems