高性能嵌入式計(jì)算

前言

本書的目標(biāo)是為新興的高性能嵌人式計(jì)算領(lǐng)域提供一個(gè)參考框架。計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了早期的8位微控制器時(shí)代。如今，嵌入式計(jì)算機(jī)由能夠運(yùn)行成千上萬行代碼的微處理器構(gòu)成。它們實(shí)時(shí)運(yùn)行并且功耗很低。為了適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)這類系統(tǒng)，人們已經(jīng)對(duì)嵌入式硬件和軟件特性展開了深入研究。現(xiàn)實(shí)生活中的飛機(jī)、手機(jī)和數(shù)字電視等都依賴于高性能嵌入式系統(tǒng)。我們對(duì)如何設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)了解，但還有更多的知識(shí)需要掌握。實(shí)時(shí)控制實(shí)際上是計(jì)算機(jī)最初的應(yīng)用之一——第1章中提到的MIT Whirlwind（旋風(fēng)）計(jì)算機(jī)研制于20世紀(jì)50年代，用于武器控制。但微處理器使嵌人式計(jì)算開始在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)相對(duì)非常重要的位置。盡管復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)在1980年以前就已經(jīng)開始使用，但嵌入式計(jì)算作為一個(gè)學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域直到20世紀(jì)90年代才形成。即便現(xiàn)在，許多傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)科在探討嵌入式計(jì)算課題時(shí)并沒有充分了解其他學(xué)科研究領(lǐng)域中的相關(guān)工作。

內(nèi)容概要

本書從性能、功率、能耗等方面闡述了嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的區(qū)別。本書第1章是背景資料，第2章介紹嵌入式系統(tǒng)使用的各種處理器，第3章研究程序，第4章討論多處理器系統(tǒng)，第5章介紹多處理器體系結(jié)構(gòu)，第6章介紹多處理器的軟件及其調(diào)度算法，第7章專注于硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)。全書包含大量實(shí)例，涵蓋許多嵌入式計(jì)算領(lǐng)域的高級(jí)主題，適合已熟悉嵌入式軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)的技術(shù)人員和學(xué)生閱讀。

作者簡介

Wayne Wolf 擁有斯坦福大學(xué)電子工程博士學(xué)位，現(xiàn)為普林斯頓大學(xué)電子工程教授。在1989年加入普林斯頓大學(xué)之前，他曾在AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室工作。他是IEEE和ACM會(huì)員、IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)核心成員以及ASEE和SPIE成員。Wolf教授于2003年獲得了ASEE Frederick E．Terman獎(jiǎng)，于2006年獲得了I

書籍目錄

出版者的話 譯者序 前言 本書贊譽(yù) 第1章　嵌入式計(jì)算 　1.1　高性能嵌入式計(jì)算的前景 　1.2　示例應(yīng)用 　　1.2.1　無線電和網(wǎng)絡(luò) 　　1.2.2　多媒體 　　1.2.3　車輛控制和操作 　　1.2.4　傳感器網(wǎng)絡(luò) 　1.3　設(shè)計(jì)目標(biāo) 　1.4　設(shè)計(jì)方法 　　1.4.1　基本設(shè)計(jì)方法 　　1.4.2　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 　　1.4.3　基于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法 　　1.4.4　設(shè)計(jì)檢驗(yàn)和確認(rèn) 　　1.4.5　方法論 　　1.4.6　算法與體系結(jié)構(gòu)聯(lián)合開發(fā) 　1.5　計(jì)算模型 　　1.5.1　為什么研究計(jì)算模型 　　1.5.2　有限與無限狀態(tài) 　　1.5.3　控制流和數(shù)據(jù)流模型 　　1.5.4　并行和通信 　　1.5.5　并行的來源和使用 　1.6　可靠性、安全與防衛(wèi) 　　1.6.1　為什么需要可靠的嵌入式系統(tǒng) 　　1.6.2　可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 　　1.6.3　新式攻擊和對(duì)策 　1.7　電子消費(fèi)品體系結(jié)構(gòu) 　　1.7.1　藍(lán)牙 　　1.7.2　WiFi 　　1.7.3　聯(lián)網(wǎng)的電子消費(fèi)品 　　1.7.4　高層次服務(wù) 　1.8　小結(jié) 　問題 　實(shí)驗(yàn)練習(xí) 第2章　CPU 　2.1　介紹 　2.2　處理器的比較 　　2.2.1　評(píng)價(jià)處理器 　　2.2.2　處理器的分類 　　2.2.3　嵌入式處理器與通用處理器 　2.3　RISC處理器與數(shù)字信號(hào)處理器 　　2.3.1　RISC處理器 　　2.3.2　數(shù)字信號(hào)處理器 　2.4　并行執(zhí)行機(jī)制 　　2.4.1　超長指令字處理器 　　2.4.2　超標(biāo)量處理器 　　2.4.3　SIMD與向量處理器 　　2.4.4　線程級(jí)并行 　　2.4.5　處理器資源利用率 　2.5　性能可變處理器體系結(jié)構(gòu) 　　2.5.1　電壓和頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整 　　2.5.2　“優(yōu)于最壞情況”設(shè)計(jì) 　2.6　處理器存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu) 　　2.6.1　存儲(chǔ)組件模型 　　2.6.2　寄存器堆 　　2.6.3　cache 　　2.6.4　片上SRAM 　2.7　附加的CPU技術(shù) 　　2.7.1　編碼壓縮 　　2.7.2　代碼和數(shù)據(jù)壓縮 　　2.7.3　低功耗總線編碼 　　2.7.4　安全性 　2.8　CPU模擬 　　2.8.1　基于執(zhí)行日志的分析 　　2.8.2　直接執(zhí)行 　　2.8.3　微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模模擬器 　2.9　CPU的自動(dòng)化設(shè)計(jì) 　　2.9.1　可配置處理器 　　2.9.2　指令集綜合 　2.10　小結(jié) 　問題 　實(shí)驗(yàn)練習(xí) 第3章　編程 第4章　進(jìn)程和操作系統(tǒng) 第5章　多處理器體系結(jié)構(gòu) 第6章　多處理器軟件 第7章　硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì) 術(shù)語表 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.1 高性能嵌入式計(jì)算的前景這本書的主題是，很多嵌入式計(jì)算系統(tǒng)都是高性能計(jì)算系統(tǒng)，需要精心設(shè)計(jì)才能滿足嚴(yán)格的要求。它們不僅需要大量計(jì)算，還必須滿足量化目標(biāo)：實(shí)時(shí)性能（而不僅僅是平均性能）、功耗／能耗和成本。量化目標(biāo)使得嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與通用計(jì)算系統(tǒng)有很大區(qū)別，因?yàn)楹笳叩挠脩羰遣豢深A(yù)知的。當(dāng)要設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來滿足各種各樣的量化目標(biāo)時(shí)，我們很快發(fā)現(xiàn)，沒有一個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有應(yīng)用都是最佳的。不同的計(jì)算需求導(dǎo)致在性能和功耗、硬件和軟件等方面做出不同的權(quán)衡。我們必須通過不同的實(shí)現(xiàn)來滿足一系列應(yīng)用的需求。方案應(yīng)該是可編程的，以保證設(shè)計(jì)靈活且有生命力，但不需要提供不必要的靈活性，以免與系統(tǒng)的需求相背離。通用計(jì)算系統(tǒng)是將硬件和軟件分開設(shè)計(jì)的，但是在嵌入式計(jì)算系統(tǒng)中，我們需要同時(shí)設(shè)計(jì)硬件和軟件。通常，一個(gè)問題可以通過硬件方式、軟件方式或兩者的結(jié)合來解決。不同的方案有不同的權(quán)衡；硬件／軟件結(jié)合設(shè)計(jì)提供的空間越大，我們能找到的設(shè)計(jì)方案就越好。如圖1－l所示，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究應(yīng)該考慮三個(gè)方面：體系結(jié)構(gòu)（architectures）、應(yīng)用（applications）和方法論（methodologies）。與通用計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員更依賴于方法論和相關(guān)應(yīng)用的基本知識(shí)。讓我們分別考慮這些方面。由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既設(shè)計(jì)硬件又設(shè)計(jì)軟件，因此他們必須研究體系結(jié)構(gòu)，一般來說，包括硬件、軟件和這兩者之間的關(guān)系。硬件體系結(jié)構(gòu)包括硬件／軟件結(jié)合設(shè)計(jì)的專用硬件單元，處理器的微體系結(jié)構(gòu)，多處理器或分布式處理器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。軟件體系結(jié)構(gòu)決定我們?cè)鯓永貌⑿行院头谴_定性來提高性能和降低成本。設(shè)計(jì)高效的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的關(guān)鍵在于了解你的應(yīng)用，充分利用應(yīng)用的特性來優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)很多通用系統(tǒng)中不可能完成的高效優(yōu)化。但這也意味著我們必須對(duì)應(yīng)用足夠了解，才能充分利用它的特性，而避免為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)人員制造麻煩。

編輯推薦

《高性能嵌入式計(jì)算》：在過去的20年中，雖然嵌入式系統(tǒng)仍是許多消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和軍用設(shè)備中不可見的部分，但它作為一個(gè)整體己經(jīng)脫穎而出。如今，嵌入式計(jì)算不再限于簡單設(shè)備控制，它已經(jīng)能以高實(shí)時(shí)處理能力和低能耗來執(zhí)行復(fù)雜的處理任務(wù)。《高性能嵌入式計(jì)算》采用一種獨(dú)特的量化方法來論述現(xiàn)代嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，書中根據(jù)性能、功率和能量消耗以及成本應(yīng)達(dá)到的量化目標(biāo)描述了在設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。貫穿全書的實(shí)際應(yīng)用使得《高性能嵌入式計(jì)算》對(duì)專業(yè)人員、研究人員和學(xué)生來說都是及時(shí)且非常有價(jià)值的資源?！陡咝阅芮度胧接?jì)算》特色包含大量現(xiàn)實(shí)世界中嵌入式計(jì)算應(yīng)用（比如移動(dòng)電話、打印機(jī)和數(shù)字電視等）和體系結(jié)構(gòu)（比如TIC5000系列DSP，F(xiàn)reescale Starcore處理器和TI OMAP多處理器等）的實(shí)例：涵蓋嵌入式計(jì)算領(lǐng)域的高級(jí)主題，比如可配置處理器、針對(duì)實(shí)時(shí)和功率損耗的軟件優(yōu)化、異構(gòu)多處理器以及嵌入式中間件?！ど钊胝撌隽司W(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)系統(tǒng)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、安全性以及程序分析。

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