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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 DCC24

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：CPU33

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 DSP58

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 C64x65

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 CPU70

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/O73

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-Fi313

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