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第1章　嵌入式计算1

引言1

1.1　复杂系统与微处理器1

1.1.1　嵌入式计算机1

1.1.2　嵌入式计算应用的特点3

1.1.3　为什么要使用微处理器4

1.1.4　软件物理5

1.1.5　嵌入式计算系统设计所面临的挑战5

1.1.6　嵌入式计算的性能6

1.2　嵌入式系统的设计过程7

1.2.1　需求8

1.2.2　规格说明11

1.2.3　体系结构设计11

1.2.4　设计硬件组件和软件组件13

1.2.5　系统集成13

1.3　系统设计的形式化方法13

1.3.1　结构描述14

1.3.2　行为描述17

1.4　模型火车控制器19

1.4.1　需求20

1.4.2　DCC20

1.4.3　概念性规格说明22

1.4.4　详细的规格说明24

1.4.5　小结28

1.5　本书概览28

1.5.1　第2章：指令系统29

1.5.2　第3章：CPU29

1.5.3　第4章：基于总线的计算机系统29

1.5.4　第5章：程序设计与分析30

1.5.5　第6章：进程和操作系统31

1.5.6　第7章：多处理器31

1.5.7　第8章：网络32

1.5.8　第9章：系统设计技术32

总结32

本章学习要点33

推荐读物33

习题33

实验练习34

第2章　指令系统35

引言35

2.1　预备知识35

2.1.1　计算机体系结构分类35

2.1.2　汇编语言37

2.2　ARM处理器37

2.2.1　处理器和存储器组织38

2.2.2　数据操作38

2.2.3　控制流43

2.3　TI C55x DSP48

2.3.1　处理器和存储管理48

2.3.2　寻址方式51

2.3.3　数据操作52

2.3.4　流程控制53

2.3.5　C代码准则54

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

引言58

3.1　输入／输出编程58

3.1.1　输入／输出设备58

3.1.2　输入／输出原语59

3.1.3　忙等I/O60

3.1.4　中断61

3.2　管态、异常和陷阱70

3.2.1　管态70

3.2.2　异常71

3.2.3　陷阱71

3.3　协处理器71

3.4　存储系统机制72

3.4.1　高速缓存72

3.4.2　存储管理单元和地址转换76

3.5　CPU的性能80

3.5.1　流水线技术80

3.5.2　高速缓存83

3.6　CPU的功耗83

3.7　设计示例：数据压缩器86

3.7.1　需求和算法87

3.7.2　规格说明88

3.7.3　程序设计89

3.7.4　测试94

总结95

本章学习要点95

推荐读物96

习题96

实验练习98

第4章　基于总线的计算机系统99

引言99

4.1　CPU总线99

4.1.1　总线协议99

4.1.2　DMA104

4.1.3　系统总线配置105

4.1.4　AMBA总线106

4.2　存储设备107

4.2.1　存储设备组织107

4.2.2　随机存储器108

4.2.3　只读存储器108

4.3　I/O设备109

4.3.1　定时器和计数器109

4.3.2　A/D转换器和D/A转换器110

4.3.3　键盘110

4.3.4　发光二极管111

4.3.5　显示器111

4.3.6　触摸屏112

4.4　组件接口112

4.4.1　存储器接口112

4.4.2　设备接口112

4.5　用微处理器设计113

4.5.1　系统体系结构113

4.5.2　硬件设计114

4.5.3　PC作为平台115

4.6　开发和调试117

4.6.1　开发环境117

4.6.2　调试技术118

4.6.3　调试难点120

4.7　系统级性能分析121

4.7.1　系统级性能分析121

4.7.2　并行124

4.8　设计示例：闹钟125

4.8.1　需求125

4.8.2　规格说明126

4.8.3　系统体系结构129

4.8.4　组件设计与测试130

4.8.5　系统集成与测试130

总结130

本章学习要点130

推荐读物130

习题130

实验练习132

第5章　程序设计与分析133

引言133

5.1　嵌入式程序组件133

5.1.1　状态机133

5.1.2　面向流的程序设计和循环缓冲区135

5.1.3　队列136

5.2 程序模型137

5.2.1　数据流图137

5.2.2　控制／数据流图139

5.3　汇编、连接和装载140

5.3.1　汇编程序141

5.3.2　连接144

5.4　基本编译技术145

5.4.1　语句翻译146

5.4.2　过程149

5.4.3　数据结构149

5.5　程序优化150

5.5.1　表达式简化150

5.5.2　无效代码的清除151

5.5.3　过程内嵌151

5.5.4　循环变换151

5.5.5　寄存器分配153

5.5.6　调度156

5.5.7　指令选择157

5.5.8　理解并使用你的编译器157

5.5.9　解释器与JIT编译器157

5.6　程序级性能分析158

5.6.1　程序性能的要素159

5.6.2　测量驱动的性能分析162

5.7　软件性能优化164

5.7.1　循环优化164

5.7.2　性能优化策略166

5.8　程序级能量和功率的分析与优化167

5.9　程序大小的分析与优化169

5.10　程序验证与测试170

5.10.1　白盒测试170

5.10.2　黑盒测试175

5.10.3　评估功能测试176

5.11　软件调制解调器177

5.11.1　工作原理与需求177

5.11.2　规格说明178

5.11.3　系统体系结构178

5.11.4　组件设计与测试179

5.11.5　系统集成与测试179

总结180

本章学习要点180

推荐读物180

习题180

实验练习185

第6章　进程和操作系统186

引言186

6.1　多任务和多进程186

6.1.1　任务和进程187

6.1.2　多速率系统188

6.1.3　进程的时限要求189

6.1.4　CPU量度192

6.1.5　进程状态与调度192

6.1.6　调度策略193

6.1.7　运行周期性进程194

6.2　抢占式实时操作系统195

6.2.1　抢占195

6.2.2　优先级196

6.2.3　进程和上下文197

6.2.4　进程和面向对象设计200

6.3　基于优先级的调度201

6.3.1　单一速率调度201

6.3.2　截止时限最近者优先调度203

6.3.3　RMS和EDF的比较205

6.3.4　对建模假设的进一步分析206

6.4　进程间通信机制207

6.4.1　共享内存通信207

6.4.2　消息传递209

6.4.3　信号209

6.5　评估操作系统性能210

6.6　进程的功耗管理与优化212

6.7　设计示例：电话应答机214

6.7.1　工作原理与需求214

6.7.2　规格说明216

6.7.3　系统体系结构218

6.7.4　组件设计与测试219

6.7.5　系统集成与测试219

总结220

本章学习要点220

推荐读物220

习题220

实验练习224

第7章　多处理器225

引言225

7.1　为什么要使用多处理器225

7.2　CPU和加速器227

7.2.1　系统体系结构框架228

7.2.2　系统集成和调试229

7.3　多处理器性能分析229

7.3.1　加速器和加速229

7.3.2　调度和分配的性能影响232

7.3.3　缓冲和性能234

7.4　消费电子体系结构235

7.4.1　用例和需求235

7.4.2　平台和操作系统236

7.4.3　闪存文件系统236

7.5　设计示例：移动电话237

7.6　设计示例：CD和DVD238

7.7　设计示例：音频播放器241

7.8　设计示例：数码相机241

7.9　设计示例：视频加速器243

7.9.1　算法和需求243

7.9.2　规格说明245

7.9.3　体系结构246

7.9.4　组件设计248

7.9.5　系统测试248

总结248

本章学习要点249

推荐读物249

习题249

实验练习251

第8章　网络252

引言252

8.1　分布式嵌入式体系结构252

8.1.1　为什么使用分布式系统253

8.1.2　网络抽象253

8.1.3　硬件和软件体系结构254

8.1.4　报文传递编程256

8.2　嵌入式系统网络257

8.2.1　I2C总线257

8.2.2　以太网260

8.2.3　现场总线262

8.3　基于网络的设计&．262

8.4　可达因特网系统264

8.4.1　因特网264

8.4.2　因特网应用265

8.4.3　因特网安全266

8.5　交通工具和网络267

8.5.1　汽车网络267

8.5.2　航空电子系统270

8.6　传感器网络270

8.7　设计示例：电梯控制器271

8.7.1　工作原理和需求271

8.7.2　规格说明273

8.7.3　体系结构274

8.7.4　测试275

总结275

本章学习要点276

推荐读物276

习题276

实验练习277

第9章　系统设计技术278

引言278

9.1　设计方法学278

9.1.1　为什么需要设计方法学278

9.1.2　设计流程279

9.2　需求分析283

9.3　规格说明284

9.3.1　面向控制的规格说明语言284

9.3.2　高级规格说明286

9.4　系统分析和体系结构设计288

9.5　质量保证291

9.5.1　质量保证技术293

9.5.2　验证规格说明294

9.5.3　设计评审295

总结296

本章学习要点296

推荐读物296

习题296

实验练习297

附录A UML表示法298

术语表301

参考文献312