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第1章 嵌入式计算1

1.1 引言1

1.2 复杂系统与微处理器1

1.2.1 嵌入式计算机1

1.2.2 嵌入式计算应用的特点3

1.2.3 为什么要使用微处理器4

1.2.4 网络物理系统5

1.2.5 嵌入式计算系统设计所面临的挑战5

1.2.6 嵌入式计算系统的性能6

1.3 嵌入式系统的设计过程7

1.3.1 需求7

1.3.2 规格说明10

1.3.3 体系结构设计11

1.3.4 设计硬件组件和软件组件12

1.3.5 系统集成12

1.3.6 系统设计的形式化方法12

1.3.7 结构描述13

1.3.8 行为描述15

1.4 设计示例：模型火车控制器17

1.4.1 需求17

1.4.2 DCC18

1.4.3 概念性规格说明19

1.4.4 详细的规格说明20

1.4.5 本节所学内容24

1.5 本书概览24

1.5.1 第2章：指令系统25

1.5.2 第3章：CPU25

1.5.3 第4章：计算平台25

1.5.4 第5章：程序设计和分析26

1.5.5 第6章：进程和操作系统26

1.5.6 第7章：系统设计技术27

1.5.7 第8章：网络和多处理器27

1.6 总结27

本章学习要点28

推荐读物28

习题28

实验练习29

第2章 指令系统30

2.1 引言30

2.2 预备知识30

2.2.1 计算机体系结构分类30

2.2.2 汇编语言32

2.2.3 超长指令字处理器32

2.3 ARM处理器33

2.3.1 处理器和存储器组织34

2.3.2 数据操作34

2.3.3 控制流39

2.3.4 高级ARM特性43

2.4 PICmicro中档系列44

2.4.1 处理器和存储器组织44

2.4.2 数据操作44

2.4.3 控制流46

2.5 TI C55x DSP46

2.5.1 处理器和存储器组织47

2.5.2 寻址方式49

2.5.3 数据操作50

2.5.4 流程控制51

2.5.5 C编码准则52

2.6 TI C64x53

2.7 总结55

本章学习要点55

推荐读物55

习题55

实验练习57

第3章 CPU58

3.1 引言58

3.2 输入／输出编程58

3.2.1 输入／输出设备58

3.2.2 输入／输出原语60

3.2.3 忙等I/O61

3.2.4 中断62

3.3 管态、异常和陷阱70

3.3.1 管态71

3.3.2 异常71

3.3.3 陷阱71

3.4 协处理器71

3.5 存储系统机制72

3.5.1 高速缓存72

3.5.2 存储管理单元和地址转换76

3.6 CPU的性能78

3.6.1 流水线技术78

3.6.2 高速缓存的性能81

3.7 CPU的功耗82

3.8 设计示例：数据压缩器85

3.8.1 需求和算法85

3.8.2 规格说明86

3.8.3 程序设计88

3.8.4 测试93

3.9 总结93

本章学习要点94

推荐读物94

习题94

实验练习96

第4章 计算平台97

4.1 引言97

4.2 基本计算平台97

4.2.1 平台硬件组件97

4.2.2 平台软件组件99

4.3 CPU总线99

4.3.1 总线结构和协议99

4.3.2 DMA104

4.3.3 系统总线配置105

4.4 存储设备和系统106

4.5 计算平台的设计108

4.5.1 示例平台108

4.5.2 平台选择109

4.5.3 知识产权110

4.5.4 开发环境110

4.5.5 调试技术111

4.5.6 调试难点113

4.6 消费类电子设备的体系结构114

4.6.1 消费类电子设备的用例和需求114

4.6.2 文件系统115

4.7 平台级性能分析115

4.8 设计示例：闹钟118

4.8.1 需求118

4.8.2 规格说明119

4.8.3 系统体系结构120

4.8.4 组件设计与测试122

4.8.5 系统集成与测试122

4.9 设计示例：音频播放器123

4.9.1 工作原理和需求123

4.9.2 规格说明124

4.9.3 系统体系结构124

4.9.4 组件设计与测试125

4.9.5 系统集成与调试126

4.10 总结126

本章学习要点126

推荐读物126

习题126

实验练习128

第5章 程序设计与分析129

5.1 引言129

5.2 嵌入式程序组件129

5.2.1 状态机129

5.2.2 循环缓冲区和面向流的程序设计131

5.2.3 队列和生产者／消费者系统134

5.3 程序模型136

5.3.1 数据流图136

5.3.2 控制／数据流图137

5.4 汇编、连接和装载138

5.4.1 汇编程序139

5.4.2 连接141

5.4.3 目标代码设计142

5.5 编译技术143

5.5.1 编译处理143

5.5.2 基本编译方法144

5.5.3 编译器优化149

5.6 程序级性能分析154

5.6.1 程序性能的要素156

5.6.2 测量驱动的性能分析158

5.7 软件性能优化160

5.7.1 循环优化160

5.7.2 cache优化161

5.7.3 性能优化策略162

5.8 程序级功耗分析与优化162

5.9 程序大小的分析与优化165

5.10 程序验证与测试165

5.10.1 白盒测试166

5.10.2 黑盒测试170

5.10.3 评估功能测试171

5.11 设计示例：软件调制解调器171

5.11.1 工作原理和需求171

5.11.2 规格说明172

5.11.3 系统体系结构173

5.11.4 组件设计与测试173

5.11.5 系统集成与测试173

5.12 设计示例：数码相机174

5.12.1 工作原理和需求174

5.12.2 规格说明177

5.12.3 系统体系结构178

5.12.4 组件设计与测试179

5.12.5 系统集成与测试179

5.13 总结180

本章学习要点180

推荐读物181

习题181

实验练习187

第6章 进程和操作系统188

6.1 引言188

6.2 多任务和多进程188

6.3 多速率系统189

6.3.1 进程的时限要求191

6.3.2 CPU使用率度量193

6.3.3 进程状态与调度193

6.3.4 运行周期性进程194

6.4 可抢占的实时操作系统195

6.4.1 两个基本概念196

6.4.2 进程和上下文196

6.4.3 进程和面向对象的设计199

6.5 基于优先级的调度199

6.5.1 单一速率调度200

6.5.2 共享资源202

6.5.3 优先级反转204

6.5.4 最早截止时限优先调度204

6.5.5 RMS和EDF的比较206

6.5.6 模型化的假设的详细介绍207

6.6 进程间通信机制208

6.6.1 共享内存通信208

6.6.2 消息传递209

6.6.3 信号210

6.6.4 邮箱210

6.7 评估操作系统性能210

6.8 进程的功耗优化策略213

6.9 实时操作系统举例215

6.9.1 POSIX215

6.9.2 Windows CE219

6.10 设计示例：电话应答机221

6.10.1 工作原理和需求221

6.10.2 规格说明222

6.10.3 系统体系结构224

6.10.4 组件设计和测试225

6.10.5 系统集成和测试225

6.11 设计示例：发动机控制单元225

6.11.1 工作原理和需求225

6.11.2 规格说明226

6.11.3 系统体系结构226

6.11.4 组件设计与测试227

6.11.5 系统集成与测试227

6.12 总结227

本章学习要点227

推荐读物228

习题228

实验练习231

第7章 系统设计技术233

7.1 引言233

7.2 设计方法学233

7.2.1 为什么需要设计方法学233

7.2.2 设计流234

7.3 需求分析237

7.4 规格说明238

7.4.1 面向控制的规格说明语言238

7.4.2 改进的规格说明239

7.5 系统分析和结构设计241

7.6 质量保证243

7.6.1 质量保证技术245

7.6.2 检验规格说明246

7.6.3 设计评审247

7.7 总结247

本章学习要点248

推荐读物248

习题248

实验练习248

第8章 网络和多处理器249

8.1 引言249

8.2 为什么要使用网络和多处理器249

8.3 多处理器分类250

8.4 分布式嵌入式系统251

8.4.1 网络抽象模型252

8.4.2 CAN总线252

8.4.3 汽车和飞机上的分布式计算254

8.4.4 I2C总线255

8.4.5 以太网258

8.4.6 因特网259

8.5 多处理器片上系统和共享存储多处理器260

8.5.1 异构共享存储多处理器260

8.5.2 加速器261

8.5.3 加速器性能分析262

8.5.4 调度和分配264

8.6 设计示例：视频加速器265

8.6.1 视频压缩265

8.6.2 算法和需求266

8.6.3 规格说明267

8.6.4 体系结构268

8.6.5 组件设计269

8.6.6 系统测试269

8.7 应用示例：CD270

8.8 总结272

本章学习要点272

推荐读物272

习题272

实验练习273

术语274

索引285