在今天所处的大时代背景下，3G/4G/5G移动互联网、物联网、云计算、大数据、工业4．0等，俨然已陆续成为信息IT产业、工业及其两化融合的主旋律；而嵌入式系统以其高集成、高可靠、功能强、成本低的优点已成为这些产业应用技术中最核心、最关键的基础部分。信息时代、数字时代使得嵌入式产品、技术获得了巨大的发展契机，21世纪全球嵌入式系统产业快速发展，在应用数量上已远超过通用计算机。据数据统计，全球嵌入式软件的销售规模已经达到了500亿美元，而嵌入式体系产品的产值达到6000亿美元。估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过100000亿美元。在中国，嵌入式系统产业规模持续增长，相关统计表明2012年中国电子制造规模达5．45万亿元，位居世界第二。同时，随着当前信息化网络技术在各行各业的飞快普及，嵌入式系统在技术领域也迎来一个快速更新与融合的时代。
　　嵌入式系统市场广阔，主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普遍采用；嵌入式软件渗透到各个领域、各个方面，在其全寿命周期内，嵌入技术的需求将是一个无可估量的巨大的市场。国际市场经过培育、导入等阶段，目前已经进入市场成熟期，国内市场正在经历市场导入期到成熟期的快速发展阶段。现在国内嵌入式系统及其软件正从全部引进到部分自主研发，进入要求自主研发高性能价格比的嵌入技术时代。
　　国内新一代的通信、广播基础、三网合一等设施建设，工业自动化，航空/航天，高速铁路领域等先进设备制造业，家用电器、智能家居、卫星导航及其位置服务、智能终端的迅猛发展和产品的不断改进，也给新一代嵌入式系统及其软件提供了更大的市场和机遇。

第1章　嵌入式系统及其软件与嵌入技术……………………………………………………… 1
1．1　嵌入式系统概述………………………………………………………………………… 1
1．1．1　一般性描述………………………………………………………………………… 1
1．1．2　国际电气与电子工程协会(IEEE)定义…………………………………………… 1
1．1．3　?ARTEMIS?报告定义…………………………………………………………… 1
1．1．4　从应用的角度看…………………………………………………………………… 2
1．1．5　从与信息技术相关性的角度看…………………………………………………… 2
1．2　嵌入式系统、嵌入式软件发展前景展望………………………………………………… 3
1．3　新的视角………………………………………………………………………………… 3
1．3．1　一部曲嵌入技术的前世今生……………………………………………………… 4
1．3．2　二部曲军阀混战…………………………………………………………………… 5
1．3．3　三部曲中国人的登场……………………………………………………………… 7
1．4　各国竞相发展嵌入技术………………………………………………………………… 7
1．4．1　中国核高基………………………………………………………………………… 7
1．4．2　欧美也启动了嵌入式技术的国家和多国合作专项开发项目…………………… 8
1．4．3　工业4．0和中国制造2025 ……………………………………………………… 16
1．5　从最新技术发展看嵌入技术…………………………………………………………… 17
1．5．1　从应用来看………………………………………………………………………… 17
1．5．2　从技术上看………………………………………………………………………… 25
第2章　软件和嵌入式软件的开发技术和测试……………………………………………… 27
2．1　软件的概念……………………………………………………………………………… 27
2．1．1　一般软件的定义…………………………………………………………………… 27
2．1．2　软件的特性………………………………………………………………………… 27
2．1．3　软件担当的角色…………………………………………………………………… 28
2．1．4　软件的分类………………………………………………………………………… 28
2．2　嵌入式应用……………………………………………………………………………… 29
2．3　嵌入式软件……………………………………………………………………………… 29
2．3．1　嵌入式软件的复杂度在增高……………………………………………………… 30
2．3．2　嵌入式系统软硬件紧密耦合……………………………………………………… 30
2．3．3　嵌入式系统及其软件的其他特点………………………………………………… 31
2．4　嵌入式开发技术………………………………………………………………………… 32
2．4．1　嵌入式调试………………………………………………………………………… 33
2．4．2　嵌入式软件调试器的实现技术…………………………………………………… 33
2．4．3　片上调试(OnChipDebugging,OCD) ………………………………………… 34
2．4．4　嵌入式软件调试工具……………………………………………………………… 34
2．4．5　参考资料…………………………………………………………………………… 35
2．4．6　ROM 监控器(ROM monitor)…………………………………………………… 37
2．5　从嵌入式软件测试开始新基本认知…………………………………………………… 37
2．5．1　对嵌入式软件测试的基本认识…………………………………………………… 37
2．5．2　嵌入式软件的测试………………………………………………………………… 38
2．6　嵌入式软件测试的通用策略和一般流程……………………………………………… 39
2．6．1　嵌入式软件测试各个阶段的通用策略…………………………………………… 39
2．6．2　嵌入式软件测试一般流程………………………………………………………… 42
第3章　嵌入式系统及其软件的新理论体系………………………………………………… 43
3．1　嵌入式系统及其软件的基本理论和原则概述………………………………………… 43
3．1．1　从嵌入式软件测试说起…………………………………………………………… 43
3．1．2　嵌入式技术的基础理论…………………………………………………………… 43
3．1．3　嵌入技术仿真平台建立及嵌入式系统工程的理论与方法论…………………… 45
3．1．4　仿真平台及嵌入式系统工程理论与方法论的国学方法论……………………… 45
3．2　实现的原则(原理)……………………………………………………………………… 46
第4章　全数字虚拟化方法…………………………………………………………………… 62
4．1　单机系统的全数字仿真技术…………………………………………………………… 62
4．1．1　嵌入式系统及其软件开发环境的仿真方式……………………………………… 62
4．1．2　传统“白盒”测试工具的局限性…………………………………………………… 62
4．1．3　传统“黑盒”测试工具的局限性…………………………………………………… 63
4．2　全数字虚拟化软硬件的分离需要考虑的方面………………………………………… 64
4．3　全数字仿真用于嵌入式系统及其软件的解决方案…………………………………… 65
4．3．1　全数字仿真概念…………………………………………………………………… 65
4．3．2　全数字仿真工作方式……………………………………………………………… 66
4．4　全数字仿真嵌入式软件测试的功能…………………………………………………… 67
4．4．1　外部事件仿真技术………………………………………………………………… 67
4．4．2　各种白盒测试……………………………………………………………………… 68
4．4．3　汇编语言(目标码、机器码)全数字仿真………………………………………… 69
4．4．4　高级语言全数字仿真……………………………………………………………… 70
4．4．5　对通用开发环境的测试支持与集成……………………………………………… 71
4．4．6　全数字仿真的实时………………………………………………………………… 71
4．5　详论全数字仿真侵入/干预/插桩方式………………………………………………… 71
4．5．1　非嵌入式打点与嵌入式打点的例子……………………………………………… 72
4．5．2　嵌入式插桩的例子………………………………………………………………… 74
4．6　简化的自动化单元测试………………………………………………………………… 75
4．6．1　过　程……………………………………………………………………………… 75
4．6．2　环境构造器………………………………………………………………………… 75
4．6．3　测试实例执行管理器……………………………………………………………… 76
4．6．4　测试报告生成器…………………………………………………………………… 76
4．6．5　代码覆盖率………………………………………………………………………… 76
4．7　超实时、欠实时全数字仿真…………………………………………………………… 77
4．8　软硬件协同验证全数字仿真技术……………………………………………………… 77
4．8．1　EDA 设计概述…………………………………………………………………… 77
4．8．2　问题的提出………………………………………………………………………… 77
4．8．3　协同仿真CoSimulation环境…………………………………………………… 77
4．8．4　软硬件协同验证的模型开发……………………………………………………… 79
4．8．5　里程与实施………………………………………………………………………… 79
4．8．6　计划实施的时间与内容分配……………………………………………………… 80
4．9　全数字仿真嵌入式软件测试应用适用性……………………………………………… 80
4．9．1　适用性……………………………………………………………………………… 80
4．9．2　局限性……………………………………………………………………………… 81
第5章　半数字/半物理固件方法……………………………………………………………… 82
5．1　基于仿真目标机的嵌入式仿真(单机系统)…………………………………………… 82
5．1．1　原　则……………………………………………………………………………… 82
5．1．2　软硬件分离………………………………………………………………………… 82
5．1．3　构　成……………………………………………………………………………… 82
5．1．4　基本概念…………………………………………………………………………… 83
5．1．5　目　的……………………………………………………………………………… 84
5．1．6　仿真实时(SimulatedRealTime)(源自原则(8))……………………………… 85
5．1．7　特点(Features)…………………………………………………………………… 85
5．1．8　开环测试…………………………………………………………………………… 87
5．1．9　闭环测试…………………………………………………………………………… 87
5．1．10　故障注入………………………………………………………………………… 88
5．1．11　测　试…………………………………………………………………………… 88
5．1．12　广义测试(源自原则(7))………………………………………………………… 88
5．1．13　总　结…………………………………………………………………………… 89
5．2　基于真实目标机的半数字半物理嵌入式仿真(单机系统)…………………………… 89
5．2．1　原　则……………………………………………………………………………… 89
5．2．2　软硬件分离………………………………………………………………………… 89
5．2．3　构　成……………………………………………………………………………… 90
5．2．4　基本概念…………………………………………………………………………… 90
5．2．5　目　的……………………………………………………………………………… 91
5．2．6　仿真的实时SimulatedRealTime(原则(8))…………………………………… 91
5．2．7　特　点……………………………………………………………………………… 91
5．2．8　开环测试…………………………………………………………………………… 91
5．2．9　闭环测试…………………………………………………………………………… 92
5．2．10　故障注入………………………………………………………………………… 92
5．2．11　测　试…………………………………………………………………………… 92
5．2．12　总　结…………………………………………………………………………… 92
5．3　基于原型目标机半数字仿真嵌入式仿真(单机系统)………………………………… 93
5．3．1　原　则……………………………………………………………………………… 93
5．3．2　软硬件分离………………………………………………………………………… 93
5．3．3　构　成……………………………………………………………………………… 94
5．3．4　基本概念…………………………………………………………………………… 94
5．3．5　目　的……………………………………………………………………………… 95
5．3．6　仿真的实时(SimulatedRealTime)(原则(8))………………………………… 95
5．3．7　特　点……………………………………………………………………………… 95
5．3．8　开环测试…………………………………………………………………………… 95
5．3．9　闭环测试…………………………………………………………………………… 96
5．3．10　故障注入………………………………………………………………………… 96
5．3．11　测　试…………………………………………………………………………… 96
5．3．12　总　结…………………………………………………………………………… 96
5．4　对通用开发环境的测试支持与集成…………………………………………………… 97
5．4．1　测发一体化原则的应用…………………………………………………………… 97
5．4．2　GPS原则的应用………………………………………………………………… 97
5．5　半物理仿真侵入/干预/插桩方式……………………………………………………… 97
5．5．1　侵入(干预,插桩)的基本思想…………………………………………………… 97
5．5．2　侵入/干预/插桩方式的功能……………………………………………………… 97
5．6　半物理半数字仿真嵌入式软件测试应用适用性……………………………………… 98
5．6．1　适用性……………………………………………………………………………… 98
5．6．2　局限性……………………………………………………………………………… 98
第6章　嵌入式在环的全物理方法…………………………………………………………… 99
6．1　对真实目标机进行实时白盒开发/测试(硬件辅助实时在线)……………………… 99
6．1．1　问题的提出………………………………………………………………………… 99
6．1．2　方案比较和基本方法……………………………………………………………… 99
6．1．3　软件系统的“逻辑分析仪”……………………………………………………… 102
6．2　实时仿真技术概述…………………………………………………………………… 104
6．2．1　概　述…………………………………………………………………………… 104
6．2．2　实时仿真的概念/构成实例……………………………………………………… 108
6．3　嵌入式快速原型目标机……………………………………………………………… 111
6．3．1　一般仿真原型机系统构建……………………………………………………… 111
6．3．2　嵌入式快速原型目标机………………………………………………………… 113
6．4　全物理仿真…………………………………………………………………………… 113
6．4．1　全物理仿真黑盒开发/仿真/测试原理………………………………………… 114
6．4．2　全物理仿真黑盒开发/仿真/测试拓扑………………………………………… 114
6．4．3　全物理仿真黑盒开发/仿真/测试功能………………………………………… 114
6．4．4　实时操作系统简介……………………………………………………………… 116
6．4．5　系统测试………………………………………………………………………… 116
6．4．6　嵌入式仿真测试环境…………………………………………………………… 117
6．5　虚拟仪器技术………………………………………………………………………… 117
6．5．1　概　念…………………………………………………………………………… 117
6．5．2　思想的形成……………………………………………………………………… 118
6．5．3　虚拟仪器系统…………………………………………………………………… 118
6．5．4　虚拟仪器的组成………………………………………………………………… 118
6．5．5　虚拟仪器的功能………………………………………………………………… 118
6．5．6　虚拟仪器的特点………………………………………………………………… 118
6．5．7　虚拟仪器的数据采集(DAQ)方式……………………………………………… 119
6．5．8　虚拟仪器技术的发展…………………………………………………………… 119
6．6　全物理黑、白盒结合(灰盒)的测试…………………………………………………… 120
6．6．1　如何结合………………………………………………………………………… 120
6．6．2　黑、白盒结合的结构……………………………………………………………… 120
6．7　全物理仿真应用适用性……………………………………………………………… 121
6．7．1　适用性…………………………………………………………………………… 121
6．7．2　局限性…………………………………………………………………………… 121
第7章　基于嵌入式系统的复杂系统………………………………………………………… 122
第8章　新一代系统论及其基础上的人/机/物工程管理…………………………………… 148
第9章　理论结合实践———工具平台及其实施……………………………………………… 177
附录1　TCL脚本语言教程…………………………………………………………………… 211
附录2　卫星导航定位与位置服务产品及软件测评………………………………………… 233
附录3　卫星导航定位与位置服务公共云服务平台………………………………………… 265
参考文献………………………………………………………………………………………… 292

　　序一
　　随着IT 技术的发展嵌入式系统的软硬件技术均在迅猛发展并在信息、控制、自动化、机电一体化等领域得到了越来越广泛的应用.在硬件速度越来越快硬件资源越来越丰富的情况下嵌入式系统呈现出硬件、软件紧密耦合的特点硬件与软件验证难以严格界定界限单纯地考虑硬件或软件可能导致顾此失彼.所以把包括软件和硬件在内的嵌入式系统当做一个完整的系统运用系统论的思想进行设计和开发有利于嵌入式系统的优化和效能的充分发挥.
　　20世纪90年代我国开始实施载人航天工程之初工程领导就高度重视包括嵌入式系统在内的软件工程化问题认识到“抓工程不抓软件不行抓软件不抓工程化不行抓工程化不抓质量不行抓质量不抓管理不行”.在载人航天工程实施的过程中工程各级均把软件工程化作为确保工程可靠、安全的一个重要抓手保证了各次飞行任务的圆满成功.
　　当今世界上先进的大型工程均大量使用嵌入式系统这些嵌入式系统往往在其中起着核心作用.嵌入式系统的硬件和软件也像信息技术和计算机技术一样一直处于高速发展过程中.但是在嵌入式系统及其软硬件的发展中存在工程实践超前于理论的现象.在嵌入式系统理论方面尚需要进一步发展和完善系统的思想、方法以满足日益广泛的应用领域和更加高性能的需求.
　　本书在这方面进行了有益的尝试.作者试图用一种新的思维方式对于嵌入式系统及其软件的新体系建立做了大胆的努力并进行了可实现的全数字虚拟化、固件、嵌入式闭环全物理等有益的实践与探索.更难能可贵的是对于人机物一体化过程提出了非线性复杂系统的认知方式对复杂大系统提供了一种集管理、研发于一体的解决方案.相信这本书能对从事嵌入技术研究开发的管理和技术人员提供有益的启发促进嵌入式系统的开发和应用.
　　周建平
　　中国工程院院士
　　2015年10月18日