嵌入式多核系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)實(shí)用指南

前言

當(dāng)今，多核技術(shù)正飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛進(jìn)入人們的生活。根據(jù)：Intel公司的戰(zhàn)略計(jì)劃，在不久的將來(lái)，主流處理器的內(nèi)核數(shù)量將達(dá)到100個(gè)以上，這種多核發(fā)展趨勢(shì)不但對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，也將對(duì)通信、消費(fèi)電子、移動(dòng)計(jì)算等嵌入式領(lǐng)域帶來(lái)巨大的轉(zhuǎn)變。多核技術(shù)的出現(xiàn)，使得未來(lái)的軟件開(kāi)發(fā)及硬件平臺(tái)都將逐漸轉(zhuǎn)變到多核技術(shù)上。嵌入式領(lǐng)域正面臨著該技術(shù)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，并不斷地與其他技術(shù)相融合，推動(dòng)著嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。隨著多核技術(shù)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具的成熟，基于多核的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)正面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。根據(jù)市場(chǎng)預(yù)計(jì)，今后3～5年，Intel將沒(méi)有單核，市場(chǎng)上對(duì)多核軟件產(chǎn)生了迫切要求，以利用更多的內(nèi)核資源。而在嵌入式技術(shù)方面，由于Intel全面引入了多核，必將促進(jìn)需要高性能、超低功耗的嵌入式領(lǐng)域的飛速發(fā)展。本書(shū)從多處理器的硬件結(jié)構(gòu)人手，全面闡述了嵌入式多核軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，以及嵌入式多核技術(shù)與其他技術(shù)的融合，如多線程技術(shù)和虛擬化等。并基于最新的Intel嵌入式多核體系結(jié)構(gòu)對(duì)嵌入式多核軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了全面闡述。全書(shū)共分為11章，分別介紹了嵌入式多核處理器的概念、嵌入式Intel多核體系結(jié)構(gòu)處理器及開(kāi)發(fā)技術(shù)、多核處理器性能量化方法、嵌入式多核x86處理器移植、可用性技術(shù)、多線程開(kāi)發(fā)技術(shù)、虛擬化和分區(qū)、多處理器優(yōu)化技術(shù)、電能利用技術(shù)等內(nèi)容。本書(shū)面向當(dāng)前嵌入式多核軟件開(kāi)發(fā)的技術(shù)前沿，對(duì)嵌入式多核軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了全面闡述。本書(shū)作者從事體系結(jié)構(gòu)技術(shù)研究及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)20余年，熟悉多種軟件工具的開(kāi)發(fā)，具備堅(jiān)實(shí)的知識(shí)背景和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在翻譯本書(shū)的過(guò)程中，我們充分體會(huì)到了作者在嵌入式多核軟件開(kāi)發(fā)方面有大量的積累，并認(rèn)為本書(shū)的最大特色在于：·覆蓋范圍廣書(shū)中涵蓋了嵌入式多核處理器概念、體系結(jié)構(gòu)等硬件基礎(chǔ)，還包含了相關(guān)開(kāi)發(fā)工具及軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，如多線程、虛擬化和分區(qū)、可用性技術(shù)等，并講述了多核處理器的性能評(píng)價(jià)及基準(zhǔn)測(cè)試，以及嵌入式多核處理器的電能利用技術(shù)等內(nèi)容?！ぷ⒅貙?shí)踐書(shū)中很多內(nèi)容都基于實(shí)例進(jìn)行講解，在理論講解時(shí)配以實(shí)例運(yùn)行結(jié)果，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，直觀呈現(xiàn)出問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，使許多枯燥的原理及技術(shù)都易于理解，而且讀者也能夠真正從實(shí)例中進(jìn)行理解與掌握?！?shí)用性強(qiáng)本書(shū)將嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與多核技術(shù)相結(jié)合，基于業(yè)界領(lǐng)先的：Intel嵌入式多核處理器，針對(duì)其中的多項(xiàng)技術(shù)及挑戰(zhàn)進(jìn)行展開(kāi)，內(nèi)容具有前瞻性和實(shí)用性。本書(shū)的翻譯工作主要由宋廷強(qiáng)、肖傳偉、馬興錄和高樹(shù)靜完成。其中肖傳偉負(fù)責(zé)第4～6章的翻譯，馬興錄負(fù)責(zé)本書(shū)的前言、第7～8章的翻譯，高樹(shù)靜負(fù)責(zé)9～11章的翻譯，宋廷強(qiáng)負(fù)責(zé)了本書(shū)其他部分的翻譯及全書(shū)的統(tǒng)稿工作。，對(duì)于本書(shū)的出版我們首先要感謝機(jī)械工業(yè)出版社的盛東亮編輯和他的同仁們，是他們的努力促成了本書(shū)的順利翻譯與發(fā)行，使讀者能夠通過(guò)本書(shū)及時(shí)了解嵌入式多核軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，同時(shí)也感謝李鵬程、張朝陽(yáng)、周京地、申鳳蘭等給予本書(shū)的核對(duì)與檢查。在本書(shū)的翻譯過(guò)程中，我們力求忠實(shí)于原著，但由于譯者技術(shù)和翻譯水平都很有限，再加上多核技術(shù)剛剛興起，很多詞句譯者一時(shí)很難把握準(zhǔn)確，導(dǎo)致書(shū)中難免存在各種翻譯錯(cuò)誤，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正，以便在重印時(shí)修改完善。

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)闡述了嵌入式多核系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的技術(shù)，并基于主流的Intel嵌入式多核系統(tǒng)給出許多開(kāi)發(fā)實(shí)例。全書(shū)共分為11章，分別介紹了嵌入式多核處理器的概念、嵌入式Intel多核體系結(jié)構(gòu)處理器、多核處理器性能量化方法、嵌入式多核處理器移植、可用性技術(shù)、多線程開(kāi)發(fā)、線程級(jí)并行優(yōu)化、虛擬化和分區(qū)、多處理器優(yōu)化技術(shù)、電能利用技術(shù)等內(nèi)容。    本書(shū)采用模塊化的結(jié)構(gòu)安排、理論闡述與應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合的敘述方式，最大限度幫助讀者掌握嵌入式多核開(kāi)發(fā)技術(shù)。    本書(shū)可作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)相關(guān)師生學(xué)習(xí)用書(shū)，也可供相關(guān)科研與工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

作者:（美）杜梅卡

書(shū)籍目錄

譯者序前言致謝第1章  緒論  1.1  寫(xiě)作目的  1.2  多核處理器的出現(xiàn)  1.3  多處理器系統(tǒng)不是一項(xiàng)新技術(shù)  1.4  應(yīng)用程序需要采用多線程  1.5  軟件是負(fù)擔(dān)還是機(jī)遇  1.6  什么是嵌入式  1.7  嵌入式有何獨(dú)特性  本章小結(jié)第2章  基本系統(tǒng)和處理器體系結(jié)構(gòu)  2.1  性能  2.2  嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)處理器發(fā)展歷程    2.2.1  Intel 186處理器    2.2.2  Intel 386處理器    2.2.3  Intel 486處理器    2.2.4  Intel Pentium處理器    2.2.5  Intel Pentium Ⅲ處理器    2.2.6  Intel Pentium Ⅳ處理器    2.2.7  Intel Pentium M處理器    2.2.8  Intel Xeon LV及ULV雙核處理器和Intel Xeon 5100系列雙核處理器    2.2.9  嵌入式Intel Core2雙核處理器    2.2.10  Intel Xeon 5300系列四核處理器  2.3  嵌入式系統(tǒng)及其處理器的發(fā)展趨勢(shì)    2.3.1  未來(lái)45nm工藝嵌入式處理器    2.3.2  Intel Atom處理器內(nèi)核    2.3.3  Tolapai片上系統(tǒng)加速器  2.4  x86匯編語(yǔ)言指導(dǎo)    2.4.1  x86匯編基礎(chǔ)    2.4.2  提示1：關(guān)注小范圍    2.4.3  提示2：快速識(shí)別源操作數(shù)和目標(biāo)操作數(shù)    2.4.4  提示3：了解基本寄存器和存儲(chǔ)器訪問(wèn)    2.4.5  提示4：熟悉常用操作    2.4.6  提示5：把參考手冊(cè)當(dāng)成好助手    2.4.7  提示6：注意編譯器的優(yōu)化    2.4.8  提示7：反匯編與源程序的相關(guān)性    2.4.9  匯編實(shí)例指南  本章小結(jié)  相關(guān)閱讀第3章  多核處理器與嵌入式  3.1  采用多核處理器的目的  3.2  多核處理器體系結(jié)構(gòu)    3.2.1  同構(gòu)多核與異構(gòu)多核    3.2.2  對(duì)稱多核與非對(duì)稱多核  3.3  多核處理器給嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的好處  3.4  嵌入式市場(chǎng)與多核處理器    3.4.1  無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施    3.4.2  工業(yè)控制    3.4.3  國(guó)家機(jī)關(guān)的應(yīng)用    3.4.4  企業(yè)基礎(chǔ)安全    3.4.5  車(chē)載娛樂(lè)    3.4.6  互動(dòng)終端    3.4.7  語(yǔ)音及整合通信    3.4.8  數(shù)字安全監(jiān)控    3.4.9  存儲(chǔ)    3.4.10  醫(yī)療  3.5  多核處理器的性能評(píng)價(jià)    3.5.1  單核性能基準(zhǔn)測(cè)試程序    3.5.2  多核性能基準(zhǔn)測(cè)試程序    3.5.3  功耗基準(zhǔn)測(cè)試    3.5.4  應(yīng)用性能評(píng)價(jià)    3.5.5  嵌入式系統(tǒng)的性能特點(diǎn)    3.5.6  審查基準(zhǔn)測(cè)試程序數(shù)據(jù)  本章小結(jié)  相關(guān)閱讀第4章  移植到Intel多核處理器  4.1  移植到Intel體系結(jié)構(gòu)    4.1.1  32位與64位支持    4.1.2  字節(jié)順序：大端與小端    4.1.3  關(guān)于BIOS和OS  4.2  支持SMP操作系統(tǒng)    4.2.1  基本MESI協(xié)議    4.2.2  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核程序  4.3  多核處理器開(kāi)發(fā)工具的發(fā)展    4.3.1  OpenMP    4.3.2  自動(dòng)并行化    4.3.3  猜測(cè)預(yù)執(zhí)行    4.3.4  線程庫(kù)    4.3.5  圖形設(shè)計(jì)工具    4.3.6  調(diào)試    4.3.7  性能分析工具  本章小結(jié)  相關(guān)閱讀第5章  標(biāo)量?jī)?yōu)化與可用性  5.1  編譯器優(yōu)化    5.1.1  一般優(yōu)化    5.1.2  高級(jí)優(yōu)化    5.1.3  高級(jí)優(yōu)化選項(xiàng)    5.1.4  輔助優(yōu)化  5.2  優(yōu)化流程  5.3  可用性    5.3.1  診斷    5.3.2  兼容性    5.3.3  編譯時(shí)間    5.3.4  預(yù)編譯頭文件    5.3.5  并行編譯    5.3.6  代碼規(guī)模    5.3.7  代碼覆蓋    5.3.8  調(diào)試優(yōu)化結(jié)果  本章小結(jié)  相關(guān)閱讀第6章  線程級(jí)并行優(yōu)化  6.1  并行化基礎(chǔ)知識(shí)    6.1.1  線程    6.1.2  分解    6.1.3  可伸縮性    6.1.4  并行處理的局限性    6.1.5  線程技術(shù)需求  6.2  線程開(kāi)發(fā)周期    6.2.1  分析    6.2.2  設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    6.2.3  調(diào)試    6.2.4  調(diào)整  本章小結(jié)  相關(guān)閱讀第7章  案例研究：數(shù)據(jù)分解  7.1  案例概述  7.2  構(gòu)建過(guò)程  7.3  分析  7.4  設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)  7.5  調(diào)試  7.6  調(diào)整  本章小結(jié)第8章  案例研究：功能分解  8.1  Snon    8.1.1  程序簡(jiǎn)介    8.1.2  構(gòu)建過(guò)程  8.2  分析    8.2.1  串行優(yōu)化    8.2.2  基準(zhǔn)    8.2.3  串行優(yōu)化結(jié)果    8.2.4  執(zhí)行時(shí)間分析    8.2.5  函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖  8.3  設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    8.3.1  線程化Snort    8.3.2  代碼修改    8.3.3  流定位    8.3.4  流定位的代碼修改  8.4  Snort調(diào)試  8.5  調(diào)整  本章小結(jié)第9章  虛擬化和分區(qū)  9.1  概述  9.2  虛擬化和分區(qū)    9.2.1  VMM體系結(jié)構(gòu)    9.2.2  虛擬化的應(yīng)用模型和優(yōu)點(diǎn)    9.2.3  電信／嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用前景  9.3  技術(shù)和設(shè)計(jì)因素  9.4  虛擬化的電信實(shí)例    9.4.1  建立和配置BKM    9.4.2  計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)L／O性能  本章小結(jié)  相關(guān)閱讀第10章  迎接低功耗Intel體系結(jié)構(gòu)  10.1  體系結(jié)構(gòu)    10.1.1  順序執(zhí)行    10.1.2  節(jié)能軟件的多種技術(shù)  10.2  嵌入式系統(tǒng)調(diào)試    10.2.1  嵌入式系統(tǒng)調(diào)試歷史概述    10.2.2  JTAG和嵌入式調(diào)試未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)    10.2.3  硬件平臺(tái)的構(gòu)建    10.2.4  操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試    10.2.5  應(yīng)用程序調(diào)試    10.2.6  多核調(diào)試的考慮因素  本章小結(jié)第11章  總結(jié)、趨勢(shì)和結(jié)論  11.1  發(fā)展趨勢(shì)    11.1.1  處理器發(fā)展趨勢(shì)    11.1.2  軟件挑戰(zhàn)    11.1.3  帶寬挑戰(zhàn)  11.2  結(jié)論附錄術(shù)語(yǔ)表

章節(jié)摘錄

插圖：下面進(jìn)行的對(duì)話是過(guò)去幾年里我和許多工程師進(jìn)行討論的概況，在此過(guò)程中我試著傳達(dá)多核處理器以及相關(guān)工具的價(jià)值。這些對(duì)話也是激發(fā)我創(chuàng)作后續(xù)章節(jié)的動(dòng)機(jī)。有一位打印成像公司的工程師問(wèn)我，“用戶使用四核處理器做什么？”起初我設(shè)法去回答這個(gè)問(wèn)題，而且考慮了好久，也沒(méi)能給出解答。我想說(shuō)“我不知道”，但是沒(méi)有說(shuō)出來(lái)。我開(kāi)始迅速轉(zhuǎn)換思維，最終找到了這一問(wèn)題的答案：多處理器已經(jīng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用多年了；除了降低成本之外，多核處理器與多處理器具有相同的優(yōu)勢(shì)。我想起了上研究生時(shí)在實(shí)驗(yàn)室的日子，當(dāng)時(shí)大量的機(jī)器都在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，用于圖形學(xué)學(xué)生的光線跟蹤項(xiàng)目。我便回答說(shuō)，“是的，許多應(yīng)用程序得益于采用多處理器提供的強(qiáng)大性能，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是圖像處理中可以把任務(wù)切分到不同的處理器核上進(jìn)行?！苯又摴こ處熅驼f(shuō)，“是啊，我知道一些應(yīng)用程序?qū)?huì)從中受益，但是它就沒(méi)有一點(diǎn)局限性嗎？”我想到了大量的計(jì)算機(jī)用戶運(yùn)行文字處理軟件或?yàn)g覽互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)多核處理器的需求并不是十分迫切，更不用說(shuō)現(xiàn)在還有最快的單核處理器可以使用。接著，我想到了以下這幾點(diǎn)：·誰(shuí)說(shuō)640KB的計(jì)算機(jī)內(nèi)存曾經(jīng)任何人都需要呢？·具有多中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）的系統(tǒng)還沒(méi)有面向大眾市場(chǎng)，因此開(kāi)發(fā)人員也沒(méi)有時(shí)間真正開(kāi)發(fā)出從中受益的應(yīng)用程序。我說(shuō)，“這是一個(gè)典型的雞和蛋的問(wèn)題。由于價(jià)值決定價(jià)格，工程師往往千方百計(jì)地發(fā)揮設(shè)備的潛力，微處理器供應(yīng)商也希望消費(fèi)者看到多核的價(jià)值。隨著開(kāi)發(fā)人員深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，開(kāi)發(fā)工具將更加成熟，多處理器開(kāi)發(fā)也變得更加簡(jiǎn)單，這一過(guò)程也許會(huì)有些反復(fù)，但隨著時(shí)間的推移，在給定開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中將有更多可以使用的處理器核。我們將發(fā)現(xiàn)，到底是什么樣的應(yīng)用程序能夠充分利用多核處理器，利用了多少?！痹摴こ處熃又釂?wèn)，“你提到了‘開(kāi)發(fā)人員學(xué)習(xí)’。如果我還有能力去學(xué)習(xí)的話，那么我還需要學(xué)習(xí)點(diǎn)什么呢？”關(guān)于這一點(diǎn)，我確實(shí)不想打消該工程師的積極性，但也希望能坦率和真誠(chéng)地把縈繞在我腦海里的幾點(diǎn)內(nèi)容說(shuō)出來(lái)：·并行程序設(shè)計(jì)將成為主流，軟件工程師需要能夠熟練地設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)多線程程序?！ぴ诓⑿谐绦蛟O(shè)計(jì)中，重視軟件的穩(wěn)定性和性能，軟件工程師必須對(duì)處理器核的通信和控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。“要想從多核處理器中得到更多的益處，需要進(jìn)行軟件修改。進(jìn)行這些修改的開(kāi)發(fā)人員必須理解并行程序設(shè)計(jì)所帶來(lái)的潛在問(wèn)題?！薄笆裁礃拥膯?wèn)題？”過(guò)度工作的工程師這樣問(wèn)道，同時(shí)也知道答案將不是他所喜歡的?！氨热鐢?shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)、同步及與之相關(guān)的挑戰(zhàn)，負(fù)載平衡等，這些問(wèn)題下次再討論?！?/pre>




編輯推薦
《嵌入式多核系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)實(shí)用指南》：多核開(kāi)發(fā)速成在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，如何才能充分利用多核處理器呢？使用多核和虛擬化技術(shù)，可在系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，這一技術(shù)可以激發(fā)嵌入式設(shè)備的潛能。通過(guò)《嵌入式多核系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)實(shí)用指南》可深入理解多核處理器，理解其在嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)及機(jī)遇。全書(shū)對(duì)在多核體系結(jié)構(gòu)中處于領(lǐng)先的Intel體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)講解及應(yīng)用?！肚度胧蕉嗪讼到y(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)實(shí)用指南》注重實(shí)踐指導(dǎo)，并提供基本素材，幫助開(kāi)發(fā)人員抓住應(yīng)用多核處理器時(shí)的問(wèn)題根源。對(duì)于嵌式應(yīng)用，《嵌入式多核系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)實(shí)用指南》通過(guò)詳細(xì)的實(shí)例，逐步給出有效利用多核處理器的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。《嵌入式多核系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)嵌入式Intel體系結(jié)構(gòu)實(shí)用指南》要點(diǎn)Intel多核體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用，多核處理器給嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的好處，利用線程進(jìn)行標(biāo)量?jī)?yōu)化，及并行優(yōu)化虛擬化及任務(wù)分配，嵌入式系統(tǒng)調(diào)試。





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