嵌入式系統實時通信網絡

張鳳登：上海理工大學教授，上海市自動化學會常務理事，中國儀器儀表學會過程檢測控制儀表分會常務理事，中國人工智能學會自然計算與數字智能城市專業委員會委員，中國儀器儀表學會嵌入式儀表及系統技術分會理事，中國儀器儀表學會教育工作委員會委員，《自動化儀表》期刊編委，先後主持或合作完成來自省、市、部及企事業單位的各類教學與科研項目36項，獲得機械工業部科技進步三等獎2項、科技成果推廣應用榮譽證書2項、發明專利3項、實用新型專利6項、軟件著作權2項，發表論文121篇，出版著4部。

第1章概述 （1）
1.1 嵌入式系統實時通信網絡的相關概念 （2）
1.1.1 系統 （2）
1.1.2 實時 （2）
1.1.3 實時系統 （2）
1.1.4 實時通信網絡 （3）
1.1.5 嵌入式實時系統 （4）
1.1.6 嵌入式系統網絡化 （6）
1.2 安全性 （6）
1.2.1 安全性的定義 （7）
1.2.2 安全標準 （7）
1.2.3 功能安全的實現 （10）
1.2.4 安全認證 （10）
1.3 電磁兼容性 （12）
1.3.1 放射測試 （12）
1.3.2 抗擾度測試 （14）
1.4 工業電子設備的環境要求 （17）
1.4.1 恆溫條件 （18）
1.4.2 溫度波動與溫度階躍測試 （18）
1.4.3 溫度循環測試 （18）
1.4.4 冰水沖擊測試 （20）
1.4.5 鹽霧測試 （20）
1.4.6 循環濕熱測試 （21）
1.4.7 灰塵測試 （21）
1.5 業務與成本驅動因素 （21）
1.5.1 組件可用性 （22）
1.5.2 成本考量 （23）
1.6 嵌入式系統實時通信網絡的形成與發展 （25）
1.6.1 嵌入式系統實時通信網絡簡史 （25）
1.6.2 嵌入式系統實時通信網絡分類 （28）
1.6.3 功能與影響因素的進一步細化 （30）
1.6.4 在兩個世界的交集中不斷進步 （31）
習題 （32）

第2章網絡基礎知識 （33）
2.1 網絡的基本特徵 （33）
2.1.1 網絡協議及分層的概念 （34）
2.1.2 電路交換與分組交換 （35）
2.1.3 面向連接協議與無連接協議 （36）
2.1.4 報文 （38）
2.1.5 報文格式 （39）
2.1.6 報文的傳輸和尋址方法 （40）
2.1.7 網絡運行模式和角色 （41）
2.1.8 網絡設備之間的基本通信方式 （44）
2.2 網絡拓撲結構 （45）
2.2.1 點對點拓撲 （46）
2.2.2 總線形拓撲 （46）
2.2.3 菊花鏈形拓撲 （46）
2.2.4 星形拓撲 （47）
2.2.5 環形拓撲 （47）
2.2.6 樹形拓撲 （48）
2.2.7 網形拓撲 （48）
2.3 網絡類型和規模 （48）
2.3.1 網絡分類 （49）
2.3.2 常用網絡規模術語 （50）
2.3.3 因特網、內聯網和外聯網 （51）
2.4 網絡性能及相關概念 （52）
2.4.1 性能度量術語和單位 （52）
2.4.2 影響網絡實際性能的主要因素 （55）
2.4.3 影響網絡性能的關鍵非性能特徵 （55）
2.5 開放系統互聯參考模型 （56）
2.5.1 模型的分層 （57）
2.5.2 開放系統互聯環境 （58）
2.5.3 協議、服務與服務訪問點 （59）
2.5.4 信息傳送單元 （63）
2.5.5 間接設備連接與報文路由 （64）
2.5.6 各層的主要功能及其交互 （65）
2.5.7 OSI參考模型各層的主要特點匯總 （72）
習題 （73）

第3章媒體訪問控制技術 （75）
3.1 媒體訪問控制技術概述 （75）
3.2 輪叫探詢法 （76）
3.2.1 輪叫探詢法工作原理 （77）
3.2.2 輪叫探詢法性能 （77）
3.3 時分多路訪問法 （81）
3.3.1 時分多路訪問原理 （81）
3.3.2 時分多路訪問性能 （82）
3.3.3 柔性時分多路訪問 （83）
3.4 CSMA/CD法 （84）
3.4.1 CSMA/CD工作原理 （85）
3.4.2 CSMA/CD性能分析 （88）
3.5 CSMA/CA法 （89）
3.5.1 CSMA/CA工作原理 （90）
3.5.2* CSMA/CA性能分析 （93）
習題 （97）

第4章全局時間同步 （99）
4.1 時間順序與標準 （99）
4.1.1 時間順序 （99）
4.1.2 時間標準 （100）
4.2 時鐘 （101）
4.2.1 物理時鐘 （102）
4.2.2 參考時鐘 （103）
4.2.3 時鐘漂移 （104）
4.2.4 時鐘的失效模式 （104）
4.2.5 時鐘精密度與準確度 （105）
4.2.6 實際應用中的時鐘微節拍 （106）
4.3 時間測量 （107）
4.3.1 全局時間 （107）
4.3.2 時間間隔測量 （109）
4.3.3 ??/?-領先 （109）
4.3.4 時間測量的基本限制 （110）
4.4 密集時基與稀疏時基 （111）
4.4.1 密集時基 （111）
4.4.2 稀疏時基 （112）
4.4.3 時空點陣 （113）
4.4.4 時間的循環表示形式 （113）
4.5 內部時鐘同步 （114）
4.5.1 同步條件 （114）
4.5.2 中央主節點同步算法 （115）
4.5.3 分佈式容錯同步算法 （116）
4.5.4 速率修正與狀態修正 （120）
4.6 外部時鐘同步 （121）
4.6.1 運行原理 （121）
4.6.2 時間格式 （122）
4.6.3 時間網關 （122）
習題 （123）

第5章控制器局域網 （124）
5.1 CAN的形成及主要特點 （124）
5.1.1 CAN的形成背景 （124）
5.1.2 CAN總線的體系結構 （126）
5.1.3 CAN的原始文件和標準 （127）
5.1.4 CAN的主要特點 （128）
5.2 CAN報文格式 （129）
5.2.1 數據幀 （129）
5.2.2 遠程幀 （132）
5.2.3 出錯幀 （132）
5.2.4 超載幀 （133）
5.2.5 幀間空間 （134）
5.3 媒體訪問與仲裁 （134）
5.3.1 非破壞性仲裁過程 （135）
5.3.2 關於標識符的補充說明 （136）
5.3.3* CAN仲裁協議的報文優先級確定方法 （136）
5.4 CAN物理層 （137）
5.4.1 位編碼與位填充 （138）
5.4.2 位的時間組成與採樣 （139）
5.4.3 位同步 （140）
5.4.4* CAN總線的信號傳播 （142）
5.4.5* 媒體、位速率和網絡長度之間的關係 （145）
5.4.6 CAN總線的電氣連接 （146）
5.5 CAN錯誤檢測與錯誤處理 （148）
5.5.1 錯誤類型 （148）
5.5.2 節點錯誤狀態 （149）
5.5.3 錯誤界定規則 （149）
5.5.4 節點狀態轉換 （150）
5.6 標準CAN的擴展 （150）
5.6.1 CAN 2.0B （151）
5.6.2 CAN-FD （152）
5.7 CAN組件 （154）
5.7.1 CAN組件類型 （155）
5.7.2 CAN控制器 （156）
5.7.3 CAN總線收發器 （164）
5.8 CAN節點的實現 （167）
5.8.1 CAN節點硬件構成 （167）
5.8.2 CAN節點通信程序設計 （167）
5.9 CAN開發工具和網絡系統設計 （174）
5.9.1 CAN總線網絡設計步驟 （174）
5.9.2 CAN報文格式分析工具—CANscope （175）
5.9.3 CAN總線系統開發、測試和分析工具—CANoe （178）
5.9.4 車體電子系統CAN總線通信網絡設計 （183）
習題 （187）

第6章本地互聯網絡 （190）
6.1 LIN的形成及其主要特點 （190）
6.1.1 引入LIN前後的多路傳輸結構 （190）
6.1.2 LIN的主要發展階段 （191）
6.1.3 LIN總線的體系結構 （191）
6.1.4 LIN規範的文件 （192）
6.1.5 LIN的主要特點 （192）
6.2 LIN通信幀格式 （193）
6.2.1 斷點場 （195）
6.2.2 同步場 （195）
6.2.3 標識符場 （195）
6.2.4 數據場 （198）
6.2.5 校驗和 （198）
6.3 LIN總線媒體訪問控制 （199）
6.3.1 總線訪問 （199）
6.3.2 調度表 （200）
6.3.3 各類幀的傳輸 （201）
6.3.4 任務狀態機 （204）
6.4 LIN物理層 （205）
6.4.1 位編碼 （206）
6.4.2 位速率及其容差 （206）
6.4.3 位定時與位採樣 （207）
6.4.4 物理線路接口 （209）
6.5 網絡休眠與喚醒 （211）
6.5.1 通信狀態圖 （211）
6.5.2 休眠 （211）
6.5.3 喚醒 （212）
6.6 錯誤檢測與錯誤處理 （213）
6.6.1 LIN錯誤類型 （213）
6.6.2 節點內部報告 （214）
6.6.3 錯誤界定 （214）
6.7 LIN組件 （215）
6.7.1 協議控制器 （215）
6.7.2 LIN收發器 （216）
6.7.3 LIN節點設計實例 （219）
6.8 LIN開發工具及應用系統設計實例 （228）
6.8.1 LIN 開發工具 （229）
6.8.2 車窗升降控制系統設計 （230）
習題 （233）

第7章FlexRay總線 （234）
7.1 FlexRay的起源及主要特點 （235）
7.1.1 FlexRay的形成與發展 （235）
7.1.2 FlexRay總線的體系結構 （237）
7.1.3 FlexRay的主要特點及用途 （238）
7.2 通信循環 （238）
7.2.1 靜態段與時隙 （240）
7.2.2 動態段與微時隙 （241）
7.2.3 符號窗 （242）
7.2.4 網絡空閒時間 （243）
7.3 FlexRay通信幀 （243）
7.3.1 通信幀格式 （244）
7.3.2 通信幀在時隙和微時隙中的封裝 （247）
7.3.3 靜態幀的最大長度 （254）
7.4 FlexRay協議的媒體訪問控制 （255）
7.4.1 通信循環的實施 （256）
7.4.2 媒體訪問方法 （258）
7.4.3 媒體訪問條件 （260）
7.4.4 關於雙通道應用的補充說明 （262）
7.5 FlexRay時間同步 （263）
7.5.1 FlexRay的計時層次 （264）
7.5.2 網絡時間同步方面的要求 （265）
7.5.3 時間同步問題的解決方案 （267）
7.6 FlexRay物理層 （275）
7.6.1 FlexRay信號的創建 （276）
7.6.2 FlexRay信號的傳輸 （278）
7.6.3 FlexRay信號的接收 （281）
7.7 網絡喚醒、啟動和錯誤管理 （284）
7.7.1 網絡喚醒 （284）
7.7.2 網絡啟動 （286）
7.7.3 錯誤管理 （289）
7.8 典型節點結構與網絡電子組件 （291）
7.8.1 FlexRay節點結構 （291）
7.8.2 FlexRay協議控制器 （294）
7.8.3 總線驅動器 （295）
7.8.4 有源星 （299）
7.8.5 總線監控器 （301）
7.9 FlexRay總線的開發與應用 （301）
7.9.1 FlexRay總線仿真與測試工具 （301）
7.9.2 FlexRay與AUTOSAR （305）
7.9.3 FlexRay應用實例 （306）
習題 （310）

第8章音頻／視頻總線 （312）
8.1 音頻／視頻總線概述 （312）
8.1.1 I2C總線 （312）
8.1.2 D2B總線 （313）
8.1.3 專用音頻／視頻總線 （316）
8.2 MOST總線的形成及主要特點 （316）
8.2.1 MOST總線的起源及主要發展階段 （316）
8.2.2 MOST總線體系結構 （317）
8.2.3 MOST總線的主要特點 （317）
8.3 報文格式和媒體訪問控制方法 （318）
8.3.1 幀起始 （319）
8.3.2 邊界描述符 （319）
8.3.3 同步通道 （319）
8.3.4 異步通道 （320）
8.3.5 控制通道 （322）
8.3.6 幀狀態和校驗位 （324）
8.3.7 關於媒體訪問控制技術的說明 （324）
8.4 MOST物理層 （325）
8.4.1 傳輸媒體 （325）
8.4.2 數據傳輸速率和編碼 （326）
8.4.3 MOST拓撲結構 （326）
8.5 MOST總線的網絡錯誤與錯誤處理 （327）
8.5.1 光學事件 （327）
8.5.2 過熱（Over-Temperature） （328）
8.5.3 欠電壓（Undervoltage） （328）
8.5.4 網絡變更事件 （329）
8.6 MOST組件、開發工具和應用 （329）
8.6.1 MOST組件 （329）
8.6.2 MOST系統開發工具 （330）
8.6.3 MOST總線在汽車DVD播放系統中的應用 （331）
8.6.4 MOST總線與FireWire總線的比較 （332）
習題 （332）

第9章總線系統連接與開發 （333）
9.1 實時通信網絡的應用選擇 （333）
9.1.1 實時通信網絡的比較 （333）
9.1.2 簡單解決方案 （335）
9.1.3 複雜解決方案 （335）
9.2 系統級模塊及其故障防護SBC （336）
9.2.1 系統級模塊的分類 （336）
9.2.2 系統基礎芯片法 （337）
9.2.3 故障防護SBC法 （337）
9.2.4 設計故障防護SBC的基本原則 （339）
9.2.5 故障防護SBC （347）
9.3 中繼器 （350）
9.3.1 網絡中出現中繼器的原因 （350）
9.3.2 中繼器使用中應注意的問題 （351）
9.4 網關 （352）
9.4.1 不同速率之間的網關 （353）
9.4.2 不同媒體之間的網關 （355）
9.4.3 不同總線之間的網關 （355）
9.5 V模式開發流程 （357）
9.5.1 V模式 （357）
9.5.2 總線網絡V模式開發流程 （358）
9.5.3 總線網絡系統開發流程的分級 （361）
習題 （361）

附錄A 排隊系統基礎 （362）
A.1 穩定狀態下的數據流 （362）
A.1.1 李特爾定律 （362）
A.1.2 通信量強度 （363）
A.2 M/G/1排隊模型 （365）
A.2.1 泊松過程 （365）
A.2.2 撲拉切克-辛欽公式 （366）
附錄B 非搶占式FP調度的最壞情形和可行性測試 （369）
B.1 活躍期 （369）
B.2 最壞情形 （369）
B.3 FP可行性條件 （370）
B.4 可行性測試 （370）
B.5 數學提示 （371）
附錄C CAPL簡介 （372）
C.1 數據類型 （372）
C.2 控制信息訪問 （372）
C.3 重要CAPL函數 （372）
附錄D 縮寫詞 （375）
參考文獻 （377）