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 2
1.2.2 嵌入式计算应用的特点 3
1.2.3 为什么使用微处理器 4
1.2.4 信息物理系统 6
1.2.5 防危性和安全性 6
1.2.6 嵌入式计算系统设计所面临的挑战 8
1.2.7 嵌入式计算系统的性能 9
1.3 嵌入式系统设计过程 9
1.3.1 需求 10
1.3.2 规格说明 14
1.3.3 体系结构设计 14
1.3.4 设计硬件与软件组件 16
1.3.5 系统集成 16
1.3.6 系统设计的形式化方法 16
1.3.7 结构描述 17
1.3.8 行为描述 20
1.4 设计示例：模型火车控制器 22
1.4.1 需求 23
1.4.2 DCC 24
1.4.3 概念性规格说明 25
1.4.4 详细规格说明 27
1.4.5 经验总结 32
1.5 本书导读 32
1.5.1 第2章：指令集 33
1.5.2 第3章：CPU 33
1.5.3 第4章：计算平台 33
1.5.4 第5章：程序设计与分析 34
1.5.5 第6章：进程和操作系统 34
1.5.6 第7章：系统设计技术 35
1.5.7 第8章：物联网系统 35
1.5.8 第9章：汽车和航天系统 35
1.5.9 第10章：嵌入式多处理器 36
1.6 总结 36
我们学到了什么 36
扩展阅读 36
问题 37
上机练习 38
第2章 指令集 39
2.1 引言 39
2.2 预备知识 39
2.2.1 计算机体系结构分类 39
2.2.2 汇编语言 41
2.2.3 VLIW处理器 42
2.3 ARM处理器 43
2.3.1 处理器和存储体系 44
2.3.2 数据运算 44
2.3.3 控制流程 49
2.3.4 ARM的高级特性 54
2.4 PICmicro系列中端微处理器 55
2.4.1 处理器和存储体系 55
2.4.2 数据操作 55
2.4.3 控制流程 57
2.5 TI C55x DSP 58
2.5.1 处理器和存储体系 58
2.5.2 寻址模式 61
2.5.3 数据操作 62
2.5.4 控制流程 63
2.5.5 C语言编程指南 64
2.6 TI C64x 65
2.7 总结 68
我们学到了什么 68
扩展阅读 68
问题 68
上机练习 69
第3章 CPU 70
3.1 引言 70
3.2 输入/输出编程 70
3.2.1 输入/输出设备 70
3.2.2 输入/输出原语 72
3.2.3 忙等待I/O 73
3.2.4 中断 74
3.3 特权模式、异常和陷阱 85
3.3.1 特权模式 85
3.3.2 异常 85
3.3.3 陷阱 86
3.4 协处理器 86
3.5 存储系统机制 86
3.5.1 高速缓存 87
3.5.2 存储管理单元和地址转换 91
3.6 CPU性能 94
3.6.1 流水线技术 94
3.6.2 高速缓存的性能 98
3.7 CPU的功耗 99
3.7.1 CMOS功耗 99
3.7.2 电源管理模式 99
3.7.3 程序级电源管理 101
3.8 防危性和安全性 102
3.9 设计示例：数据压缩器 103
3.9.1 需求和算法 103
3.9.2 规格说明 105
3.9.3 程序设计 106
3.9.4 测试 111
3.10 总结 112
我们学到了什么 112
扩展阅读 112
问题 112
上机练习 115
第4章 计算平台 116
4.1 引言 116
4.2 基本的计算平台 116
4.2.1 平台硬件组件 116
4.2.2 平台软件组件 118
4.3 CPU总线 119
4.3.1 总线结构和协议 119
4.3.2 直接内存访问 124
4.3.3 系统总线配置 125
4.4 存储设备和系统 127
4.5 基于计算平台的系统设计 129
4.5.1 示例平台 129
4.5.2 选择平台 129
4.5.3 知识产权 131
4.5.4 开发环境 132
4.5.5 看门狗定时器 132
4.5.6 调试技术 133
4.5.7 调试中的困难和挑战 135
4.6 消费类电子设备的体系结构 136
4.6.1 消费类电子设备的用例和需求 136
4.6.2 文件系统 137
4.7 平台级性能分析 138
4.8 平台级电源管理 141
4.9 设计示例：闹钟 142
4.9.1 需求 142
4.9.2 规格说明 143
4.9.3 系统体系结构 146
4.9.4 组件设计和测试 147
4.9.5 系统集成和测试 147
4.10 设计示例：音频播放器 147
4.10.1 工作原理和需求 147
4.10.2 规格说明 149
4.10.3 系统体系结构 150
4.10.4 组件设计和测试 151
4.10.5 系统集成和调试 151
4.11 总结 151
我们学到了什么 151
扩展阅读 151
问题 152
上机练习 154
第5章 程序设计与分析 155
5.1 引言 155
5.2 嵌入式程序的组件 155
5.2.1 状态机 155
5.2.2 循环缓冲区和面向流的程序设计 157
5.2.3 队列与生产者/消费者系统 161
5.3 程序模型 163
5.3.1 数据流图 163
5.3.2 控制/数据流图 164
5.4 汇编、链接和加载 166
5.4.1 汇编器 167
5.4.2 链接 170
5.4.3 目标代码设计 171
5.5 编译技术 172
5.5.1 编译过程 172
5.5.2 基本编译方法 173
5.5.3 编译器优化方法 179
5.6 程序级性能分析 185
5.6.1 程序性能分析 186
5.6.2 测量驱动的性能分析 190
5.7 软件性能优化 193
5.7.1 循环的基本优化 193
5.7.2 针对高速缓存的优化 194
5.7.3 性能优化策略 196
5.8 程序级的能量和功率分析及优化 197
5.9 程序长度的分析和优化 199
5.10 程序验证和测试 200
5.10.1 白盒测试 201
5.10.2 黑盒测试 205
5.10.3 功能性测试 206
5.11 防危性与安全性 207
5.12 设计示例：软件调制解调器 207
5.12.1 工作原理和需求 207
5.12.2 规格说明 209
5.12.3 系统体系结构 209
5.12.4 组件设计和测试 210
5.12.5 系统集成和测试 210
5.13 设计示例：数码相机 210
5.13.1 工作原理和需求 210
5.13.2 规格说明 214
5.13.3 系统体系结构 216
5.13.4 组件设计和测试 218
5.13.5 系统集成和测试 218
5.14 总结 218
我们学到了什么 218
扩展阅读 218
问题 219
上机练习 225
第6章 进程和操作系统 227
6.1 引言 227
6.2 多任务和多进程 227
6.3 多速率系统 229
6.3.1 进程的时间约束 230
6.3.2 CPU使用效率度量标准 234
6.3.3 进程状态和调度 234
6.3.4 运行周期性进程 235
6.4 抢占式实时操作系统 237
6.4.1 两个基本概念 237
6.4.2 进程和上下文 238
6.4.3 进程和面向对象设计 240
6.5 基于优先级的调度 241
6.5.1 单调速率调度 242
6.5.2 最早截止时限优先调度 244
6.5.3 RMS与EDF比较 248
6.5.4 共享资源 248
6.5.5 优先级反转 250
6.5.6 低功耗调度 250
6.5.7 对模型假设的进一步分析 250
6.6 进程间通信机制 252
6.6.1 共享内存通信 252
6.6.2 消息传递 253
6.6.3 信号 254
6.6.4 信箱 254
6.7 评估操作系统性能 255
6.8 实时操作系统示例 258
6.9 设计示例：电话答录机 263
6.9.1 工作原理和需求 263
6.9.2 规格说明 265
6.9.3 系统体系结构 267
6.9.4 组件设计和测试 268
6.9.5 系统集成和测试 269
6.10 设计示例：发动机控制单元 269
6.10.1 工作原理和需求 269
6.10.2 规格说明 270
6.10.3 系统体系结构 270
6.10.4 组件设计和测试 272
6.10.5 系统集成和测试 272
6.11 总结 272
我们学到了什么 273
扩展阅读 273
问题 273
上机练习 277
第7章 系统设计技术 279
7.1 引言 279
7.2 设计方法 279
7.2.1 为什么需要设计方法 279
7.2.2 设计流程 281
7.3 需求分析 285
7.4 规格说明 286
7.4.1 面向控制的规格说明语言 286
7.4.2 改进的规格说明 288
7.5 系统分析和架构设计 290
7.6 可靠性、防危性和安全性 293
7.6.1 示例 293
7.6.2 质量保证技术 296
7.6.3 验证规格说明 297
7.6.4 设计审查 298
7.6.5 面向安全的方法 299
7.7 总结 301
我们学到了什么 301
扩展阅读 301
问题 301
上机练习 302
第8章 物联网系统 303
8.1 引言 303
8.2 IoT系统应用 303
8.3 IoT系统体系结构 304
8.4 IoT网络 305
8.4.1 OSI模型 306
8.4.2 互联网协议 306
8.4.3 IoT网络的概念 308
8.4.4 蓝牙和低功耗蓝牙 310
8.4.5 802.15.4和无线个域网 312
8.4.6 Wi-Fi 313
8.5 数据库和时间轮 315
8.5.1 数据库 315
8.5.2 时间轮 317
8.6 示例：智能家居 317
8.7 总结 319
我们学到了什么 319
扩展阅读 320
问题 320
上机练习 320
第9章 汽车和航天系统 321
9.1 引言 321
9.2 汽车和飞机中的网络控制系统 321
9.3 车载网络 323
9.3.1 CAN总线 323
9.3.2 其他汽车网络 325
9.4 防危性和安全性 326
9.5 总结 327
我们学到了什么 328
扩展阅读 328
问题 328
上机练习 328
第10章 嵌入式多处理器 329
10.1 引言 329
10.2 为什么需要多处理器 329
10.3 多处理器的种类 331
10.4 MPSOC和共享内存多处理器 332
10.4.1 异构共享内存多处理器 333
10.4.2 加速器 333
10.4.3 加速器性能分析 335
10.4.4 调度和分配 337
10.4.5 系统集成 339
10.4.6 调试 342
10.5 设计示例：视频加速器 342
10.5.1 视频压缩 342
10.5.2 算法和需求 344
10.5.3 规格说明 345
10.5.4 架构 345
10.5.5 组件设计 347
10.5.6 系统测试 348
10.6 应用示例：光盘 348
10.7 总结 351
我们学到了什么 351
扩展阅读 351
问题 351
上机练习 352
术语表 353
参考文献 366
索引 374