本书重点是RISC设计，覆盖了RISC计算结构的各方面知识。它不仅是针对某个特定的微控制器，而是包含了RISC实现过程中从单片微控制器到复杂片上系统的所有结构创新。

嵌入式微控制器与处理器设计
Embedded Microcontrollers and Processor Design

（美）Greg Osborn 著　宋廷强 高树静 译

本书全面讲述了嵌入式微控制器的基础知识以及先进的设计方法。全书内容覆盖了RISC体系结构、数字信号处理、模糊逻辑和模数转换等主要概念，重点关注RISC相关设计。本书不是专门教授某个特定的微控制器设计方法，而是关注于从单片机到SoC系统芯片的RISC实现技术的整体变革，因此更适合用作高校电子电气工程、计算机以及工程技术类相关专业的教材，还可用作专业嵌入式微控制器设计人员的参考书。

本书特色
深入讲解微控制器、处理器设计以及相关技术。
通过RISC技术的工程开发，使读者深入理解设计中的主要理论。
内容新颖，包含了许多最新技术，如模糊逻辑以及MIPS、ARM和Tensilica的IP核设计。
讨论如何平衡处理器、存储器和软件三种技术，使学生深入理解半导体制造能力、分级存储结构和汇编器以及编译器优化等技术。
每章（除第1章外）后面都附有习题，用以复习本章的主要内容。

如今，微控制器已经成为人们日常生活中普遍应用的设备，我们日常使用的大多数电气产品中都内置有微控制器，在家用电器、汽车、复印机、移动电话，甚至强大的机车控制中，都可以找到它们的身影。只要有电气使用的地方，就可以发现微控制器的使用！
　　以微控制器为主题的书籍有很多，为什么还要再写一本新书呢？所有流行的微控制器芯片和体系结构都有关于“怎样使用”的书籍出版，而本书关注的是向读者全面介绍微控制器技术，既包括单片机，也包括作为知识产权（Intellectual Property，IP）核形式的微控制器。
　　很多电子工程专业的学生需要使用微控制器来学习嵌入式系统设计方面的课程，Intel 8051、ZiLOG Z8或者Microchip PIC等器件十分流行，也是同学们学习微控制器的首要选择。另外，这些器件还对一些使用广泛并且十分廉价的开发工具提供设计支持。
　　基于嵌入式微控制器的设计选择十分广泛，这是工程师们今天所要面对的问题。他们不仅要选择流行的单片机，还要选择用于ASIC片上系统（SystemonaChip，SoC）设计所要用到的IP核。尽管在计算机领域基于Intel的体系结构处于统治地位，微控制器领域仍然靠创新设计来发展。
　　本书围绕3个主要内容展开讲解——微控制器体系结构介绍、单片微控制器和嵌入式IP核。每一章都在开始给出章节学习目标，并在各章节最后给出习题（除第1章外），用以检查学习效果。
　　本书不仅涵盖了主要芯片以及IP核，还重点介绍了微控制器体系结构的概念。例如，计算器件是怎样演变的以及在设计中为什么要使用不同类型的器件。
　　本书参考的单片机都是典型的商用经典设计。当然，很多其他设计也可以利用，尤其是来自无晶圆设计公司的设计。微控制器核参考了已经发行的SoC IP核以及市场上的相关产品。本书关于体系结构的介绍中，“处理器”这一概念既包含“单片微控制器”的“处理器”元素，也包含“IP核”的概念。
　　本书希望能向读者提供单片机或嵌入式微控制器及微处理器设计的相关知识。书中讨论了CISC和RISC处理器之间的差异，也介绍了单片机设计流程和嵌入式微处理器设计流程。
　　本书对16位Freescale MC9S12X系列单片微控制器进行了详细介绍，同样，还详细介绍了基于RISC结构的PIC18F4520和ZiLOG Z8微控制器。书中还介绍了8位微控制器，并详述了许多控制器系列的大量外设。
　　书中介绍了指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）的概念，以便于更好地理解基于CISC和RISC体系结构处理器的共性，并扩展到基于使用ARM和MIPS指令集体系结构的IP核的嵌入式SoC微控制器设计。书中详细介绍了ARM10TDMI和MIPS32 4KETM IP核。
　　可配置处理器技术越来越重要，尤其是在设计高性能消费类电子产品时更是这样。可配置处理器技术允许定制微处理器核，而该微处理器核的配置会对SoC嵌入式设计的性能和功耗带来影响。书中介绍了Tensillica Xtensa LX2系列可配置处理器。
　　书中讨论了由RISC派生的专用处理器。对数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）进行了概述，包括Texas Instruments公司的TMS320C55处理器和Analog Devices的ADSPBF533 Blackfin处理器。书中介绍了相关工程设计流程的方法，讨论了可供工程师设计开发的不同工具，给出了使用集成设计环境（Integrated Design Environment，IDE）开发单片机的实例。
　　微控制器设计的软件编程既可以像草坪洒水车控制编程一样简单，也可以像控制机器人的RTOS一样复杂。从简单的轮询到复杂的多级中断系统，这些编程技术在书中都有论述。许多单片机都有串行I/O接口功能模块，它们主要用于数据通信。书中介绍了UART、I2C、I2S、CAN/LIN SPI以及USB等外设功能模块。
　　嵌入式微控制器与处理器设计第1章嵌入式处理器SoC设计需要与半导体制造厂家紧密结合。作为无晶圆设计技术，SoC需要专门的工程技术将需要的功能模块集成到芯片中。IP功能模块既可以由集成电路设计厂家提供，也可以从那些独立的设计公司获得，但是得到一款能够正常工作的芯片仍是一个复杂的过程。
　　本书倾向于对单片机和嵌入式形式微控制器的介绍和理解。ISA的概念与产品设计方法一起讲解，通过IP核的使用来引入SoC设计的概念。
　　从任何抽象层次上来说，微控制器设计都是基于现有可用技术的折中。本书关注的3个基本技术是处理器、存储器和软件：处理器技术根据半导体制造厂家的能力而定，存储器技术采用层次化存储结构实现，软件技术实现依赖于汇编和优化编译技术。
　　就本书内容所覆盖的范围来说，概述与基于微控制器的设计特性相关。一般地，基于CISC的微处理器比基于RISC的微处理器的指令更为复杂，RISC的寄存器组与CISC相比是正交的，RISC的C语言优化编译器比CISC的效率更高。
　　RISC和CISC是全球范围广泛使用的指令集体系结构。指令集体系结构的一些创新，如VLIW和EPIC等，本书通过比较的形式进行了介绍。书中重点关注了微控制器技术是基于RISC的，还是基于CISC的，这样可以为读者理解其他演化出来的指令集体系结构提供必要的基础知识。
　　微控制器的核心是微处理器。本书中，处理器具有广义的含义。不管是SoC设计中以IP核形式实现，还是传统的单片机形式，其基本的处理器概念是相同的。MIPS32 4KETM IP核可以制作成NEC单片机，也可以制作成CISCO SoC路由器；其实现不同，但都具有相同的体系结构。
　　本书旨在能够为在校工程专业学生介绍微控制器技术相关概念，而不是作为硬件参考手册，也不是作为一系列的应用指南。书中给出的概念具有一般形式，这样可以使更大范围工程专业的学生理解基本的概念，并将其应用到实际中。
　　网上有作者为教师准备的作为课程使用的在线指导手册，若要获取本书的在线附件，教师需要申请一个教师访问授权码。请访问网站wwwpearsonhigheredcom/irc，来注册并获取教师访问授权码，在注册之后的48小时内，读者便会收到一封确认邮件，其中包含了教师访问授权码。收到该授权码后，便可以登录网站，下载希望使用的资料文件。
　　作者十分感谢下述人员对于本书书稿进行的阅读和校验：杨百翰大学的CRichard GHelps、伊利诺伊学院的James Streib、德福瑞大学哥伦布分校的ChaoYing Wang和佛蒙特州技术学院的Richard Warren。

Greg　Osborn

计算机\嵌入式编程

本书全面讲述了嵌入式微控制器的基础知识以及先进的设计方法。全书内容覆盖了RISC体系结构、数字信号处理、模糊逻辑和模数转换等内容，重点关注RISC相关设计。本书不是专门教授某个特定的微控制器设计，而是关注于从单片机到SoC系统芯片的RISC实现技术的整体变革，因此更适合用作高校电子电气工程、计算机以及工程技术类相关专业的教材，还可用作专业嵌入式微控制器设计人员的参考书。
本书特点：
? 深入讲解多控制器、处理器设计以及相关技术
? 通过RISC技术的工程开发，使读者深入理解设计中的主要理论
? 内容新颖，包含了许多最新技术，如模糊逻辑以及MIPS、ARM和Tensilica的IP核设计
? 讨论如何平衡处理器、存储器和软件三种技术，使学生深入理解半导体制造能力、分级存储结构和汇编器以及编译器优化等技术
? 每章后面都附有习题，用以复习本章的主要内容

宋廷强 高树静 译：暂无简介

嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软件和硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的应用十分广泛，在消费电子、工业制造、过程控制、网络通信、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天及军事装备等方面，都可以找到嵌入式系统的应用。
　　嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和微控制器，可应用于嵌入式系统的处理器主要有嵌入式微处理器、微控制器、嵌入式DSP以及系统集成芯片等。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，目前常用的386EX、Power PC、68000、MIPS和ARM等系列都属于嵌入式处理器。嵌入式微控制器又称为单片机或单芯片微控制器，其最大特点是单片化，体积大大减小，片上外设资源丰富。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，占整个嵌入式市场份额的70%，如8051、MCS-96、MC68HC05、68300、PIC等都属于该类型。SoC技术是目前集成电路制造工艺、计算机技术发展的产物，可以在一个硅片上实现一个更为复杂的系统；各种通用处理器或微控制器都可以以IP核的形式作为SoC设计的库单元。目前，嵌入式微处理器与微控制器的品种总量已达1000多种，有30多个流行体系结构，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。
　　本书全面讲述了嵌入式微处理器与微控制器的基础知识，书中没有简单地罗列各种嵌入式微控制器的电气特性、物理特性以及具体使用等内容，也没有罗列具体开发工具及开发软件的具体使用，而是注重于让读者理解微控制器背后的基本概念和设计方法，从全局上把握嵌入式微处理器与微控制器的发展、现状以及主要技术等内容。全书内容覆盖嵌入式微控制器、软/硬件调试、模数转换、外设接口、数字信号处理以及模糊逻辑等主要概念，以便使读者更好地理解和把握嵌入式系统的设计方法和设计理念。本书强调了嵌入式微处理器及微控制器的架构和技术特点，适合用作高校电子电气工程、计算机以及工程技术类相关专业的教材，还可用作专业嵌入式微控制器设计人员的参考书。本书的最大特色如下。
　　 覆盖面广。本书内容主要与基于微控制器的设计相关，内容围绕微控制体系结构、单片机和嵌入式IP核展开，不仅涵盖了主要芯片以及IP核，还重点介绍了微控制体系结构的相关知识。
　　 内容新颖。本书将传统的嵌入式处理器与当前一些新兴技术有机结合，包括SoC设计、IP核、在线调试、嵌入式DSP、模糊控制等内容，充分归纳一些技术的共性，力求呈现给读者浅显易懂的设计理论与方法。
　　 实用性强。书中很多内容都基于实例进行讲解，其中参考的单片机都是典型的商用经典设计，微控制器核都是已经发行的SoC IP核以及市场上的相关产品。每一章都在开始给出章节学习目标，除第1章外，其余各章在最后都给出习题，便于读者检查学习效果。
　　本书由我和高树静博士共同翻译完成，由我负责全书的统稿工作。对于本书的出版我们首先要感谢机械工业出版社的编辑，是他们的努力促成了本书的顺利翻译与发行，使读者能够通过本书及时了解嵌入式微控制器相关技术；同时也感谢李鹏程、江依妹、姚永、张朝阳、菊勇、刘洪涛、林家希等给予本书的核对与检查。
　　在本书的翻译过程中，我们力求忠实于原著，但由于译者技术和翻译水平有限，对一些词句把握不够准确，书中难免存在错误和疏漏之处，敬请读者批评指正，以便在后期修改完善。我们的邮箱是songtq@163com，敬请赐教。

宋廷强
2010年10月于青岛

出版者的话
译者序
前言
第1章嵌入式处理器
10微控制器
11微控制器市场
12数据路径
13商用微控制器
14SoC内核处理器
15SoC单元相对销售量
16超大规模集成电路（VLSI）芯片设计工具
17IP核
18指令集体系结构
19投资与回报
110半导体技术的发展
参考文献
第2章微控制器体系结构
20单片计算机
21约翰·冯·诺依曼
22计算机体系结构
23半导体技术
231小规模集成电路
232硬件总线
233智能外围接口
234标准I/O接口
24MSI和LSI
25电子计算器
26微处理器
261应用型数据处理
262Intel i4004
263Intel i8080
27微处理器外设
28Intel i8051微控制器
29RISC简介
291RISC处理器
292RISC的协同作用
293RISC市场
210无晶圆半导体公司
2101RISC IP核
2102RISC工艺流程
211嵌入式控制器IP核
2111CISC IP核
2112RISC IP核
2113第三方IP核
212专用处理器
213本章小结
习题
参考文献
第3章嵌入式微控制器技术
30集成电路
31摩尔定律
311微处理器的性能
312实现技术
313阿姆达尔定律
314技术融合
32设计抽象
321指令集体系结构
322处理器家族
33RISC和CISC
331处理器技术
332性能评估
333程序指令
334指令成本
335微代码指令
34存储器技术
341局部性
342存储器分级
343高速缓存
344一级缓存和二级缓存
345数据寄存器
346指令队列
347分支指令
348存储器访问延迟
349高速缓存模块
35指令处理
351汇编语言
352程序编译器
353硬编码指令
36程序设计
361程序代码大小变化
362CISC指令集
37统一指令集
371工业标准软件
372指令集扩展
38RISC指令集体系结构
381微代码
382微指令周期
383专用指令
384单周期指令
39处理器逻辑
391同步逻辑
392寄存器堆
393正交寄存器
394寄存器优化
395载入/存储数据操作
310处理器功能划分
3101指令流水线
3102执行单元
3103流水线级
3104流水线吞吐量
3105顺序执行
3106分支执行
311五级流水线
3111指令流水线阻塞
3112分支预测表
3113数据流水线阻塞
312本章小结
习题
参考文献
第4章微控制器功能
40设备功能
41晶体管工艺
411CMOS晶体管
412CMOS功耗
413封装
414工作温度范围
42存储器工艺
421DRAM
422SRAM
423NVRWM
424EEPROM
425Flash工艺
426ROM
43硬件特性
431配置字
432振荡器类型
433复位
434待机模式
435低功耗
436看门狗定时器
437在线编程
44数据输入/输出
441并行I/O
442三态I/O引脚
443内存映射I/O
45同步串行通信
习题
参考文献
第5章程序设计
50程序设计
51轮询程序
511程序流程
512程序时序
513连续任务
514任务时序
515连续多任务
52中断
521异步时序
522中断允许
523机器状态
524延时
525上下文切换
526中断向量
527中断嵌套
528关键代码
529中断服务程序
53实时操作系统
54事件驱动系统
55内核
56系统分层
57风险
习题
参考文献
第6章软/硬件调试
60软/硬件调试
61COTS控制器工具
62嵌入式控制器工具
63首款芯片
64板级探针
65调试步骤
651软件编辑
652编译
653程序生成
654仿真器
655在线仿真
66SoC调试策略
661SoC软件调试
662内核调试
663JTAG/EJTAG规范
67ARM SoC调试
68MIPS SoC调试
习题
参考文献
第7章串行数据通信
70串行数据通信
71UART
711异步模式
712发送/接收缓冲器
72串行外围接口SPI
73I2C总线
731I2C总线如何工作
732I2C总线术语
733总线传输术语
74CAN总线
75LIN网络
76I2S总线
761I2S串行数据
762I2S 字选择
763I2S总线时序
77IrDA
78USB总线
781USB拓扑
782USB构架
783USB物理连接
784USB接口
785USB 20 规范
79蓝牙
791蓝牙构架
792蓝牙频率
793蓝牙网络
习题
参考文献
第8章模数转换
80模数转换
81模数转换概述
82换能器
83低通滤波器
84采样
85香农采样定理
86什么是模数转换器
861ADC的分辨率
862LSB和MSB定义
863量化
864量化误差
865偏置误差
866微分非线性
867丢码
868信噪比
87模数转化算法
871逐次逼近
872SAR ADC结构
873Flash ADC
874集成ADC
875流水线ADC
876Σ-Δ转换器
88过采样
习题
参考文献
第9章数字信号处理
90数字信号处理
91什么是DSP
911滤波与合成
912DSP性能
913模拟信号转换
92DSP控制器构架
93模拟滤波器
931滤波性能测试
932时域响应
933模拟低通滤波器
934有源模拟滤波器
935有源滤波器的比较
94数字滤波器
941FIR滤波器
942FIR滤波器的实现
943卷积
944IIR滤波器
95信号变换
951相量模型
952傅里叶级数
953离散傅里叶级数
954傅里叶变换
955离散傅里叶变换
96快速傅里叶变换
961FFT的执行
962DFT蝶形变换
97表寻址
习题
参考文献
第10章模糊逻辑
100模糊逻辑
101模糊逻辑方法
102模糊感知
103模糊逻辑的术语
104模糊专家系统
1041推理过程
1042模糊化
1043推理
1044合成
1045去模糊化
105语言变量
1051使用语言变量
1052模糊规则剖析
1053语言变量的逻辑组合
106PID控制器
1061时间语言变量
1062语言变量比较
107模糊逻辑应用
108规则矩阵
1081模糊逻辑的实现
1082隶属函数
1083隶属度输入
1084推理
109去模糊化
1010调整与提升系统性能
习题
参考文献
第11章8位微控制器
110通用微控制器
111微芯公司PIC18F4520
1111PIC18F4520 Harvard 体系结构
1112指令流水线
1113特性
1114电源管理模式
1115振荡器配置
1116复位
1117存储器组织
1118中断结构
1119输入/输出（I/O）端口
11110定时器相关的功能
11111定时器模块
11112采样/比较/PWM功能
11113串行通信接口
11114模数转换
11115模拟比较器
11116CPU特性
11117指令集
11118电特性
112ZiLOG Z8 ENCORE! XP F0830系列
1121eZ8 CPU描述
1122Z8 Encore! CPU体系结构
1123地址空间
1124外设概述
1125复位控制器和停止模式恢复
1126低功耗模式
1127通用输入/输出
1128中断控制器
1129定时器
11210Watchdog定时器
11211模数转换器
11212比较器
11213Flash存储器
11214非易失性数据存储
11215片上调试器
11216振荡器控制
11217eZ8 CPU指令和编程
习题
参考文献
第12章16位微控制器
12016位处理器概述
121Freescale S12XD 处理器概述
1211XGATE概述
1212时钟
1213模/数转换器（ATD）
1214增强型捕捉定时器（ECT）
1215脉宽调制（PWM）
1216I2C总线
1217CAN总线
1218串行通信接口（SCI）
1219串行外围接口（SPI）
12110定时中断定时器（PIT）
12111电压调整器（VREG）
12112背景调试模块（BDM）
12113中断模块（XINT）
12114映射存储器控制（MMC）
12115调试（DBG）
12116外部总线接口
12117端口综合模块
121182K字节EEPROM（EETX2K）
12119512K字节Flash模块（FTX512K4）
12120安全性
122Texas Instruments MSP430TM系列
1221低功耗设计
1222灵活的时钟系统
1223MSP430 CPU
1224操作模式
1225FLL+时钟模块
1226Flash存储控制器
1227硬件多路器
1228DMA控制器
1229数字I/O
12210Watchdog定时器
12211定时器A和B
12212USART
12213USCI
12214ADC12的功能
12215DAC12模块
12216嵌入式仿真模块
习题
参考文献
第13章知识产权SoC核
130SoC概述
131SoC设计挑战
1311可配置处理器
1312SoC综合
1313可扩展处理器
1314可扩展处理器替代RTL
1315清晰的控制方案
132MIPS32 4K处理器核系列
13214KE系列的主要特点
1322执行单元
1323乘除单元（MDU）
1324内存管理单元（MMU）
1325cache控制器
1326总线接口单元（BIU）
1327电源管理
1328指令cache
1329数据cache
13210EJTAG控制器
13211系统协处理器
13212用户自定义指令（UDI）
13213指令流水线
13214指令cache失效
13215数据cache失效
13216乘法/除法操作
13217分支延迟
13218内存管理
13219操作模式
133ARM1022E处理器概述
1331处理器组成
1332寄存器
1333整数核
1334整数核流水线
1335内存管理单元
1336cache和写缓冲
1337总线接口
1338拓扑结构
1339协处理器接口
13310协处理器流水线
13311调试单元
13312挂起模式
13313监视器调试模式
13314时钟和PLL
13315ETM接口逻辑
13316工作状态
13317状态转换
13318在异常处理中切换状态
13319工作模式
习题
参考文献
第14章Tensilica可配置IP核
140简介：再谈摩尔定律
141芯片设计工艺
1411设计错误的芯片
1412SoC设计的基本趋势
1413每个系统都采用一个新的SoC实现是不现实的
1414纳米技术
1415SoC设计改革
1416SoC可编程性
1417可编程性与效率对比
1418SoC设计成功的关键
1419改进的设计方法学用于SoC设计
14110可配置处理器作为构建模块
14111使用自动生产的处理器快速进行SoC开发
14112起点：基本的接口和计算
14113并行处理任务
14114自动指令集发生的含义
142Tensilica Xtensa体系结构概述
143指令集设计原则
144Tensilica Xtensa处理器的独有特性
145寄存器
146指令长度
147复合指令
148分支
149指令流水线
1410有限的指令常数宽度
1411短指令格式
1412寄存器窗口
1413Xtensa L2总结
习题
参考文献
第15章数字信号处理器
150DSP概述
151TMS320C55x
1511TMS320C55x的特性
1512C55x的主要特征
1513指令集体系结构
1514主要功能单元
1515特殊属性
1516低功耗设计
1517处理器片上外设
1518仿真和测试
152Analog Devices公司ADSPBF535 Blackfin处理器
1521便携低功耗体系结构
1522系统集成
1523处理器核
1524存储器体系结构
1525事件处理
1526DMA控制器
1527外部存储控制
1528异步控制器
1529PCI接口
15210USB设备
15211实时时钟
15212Watchdog定时器
15213定时器
15214串口
15215串行外设接口（SPI）端口
15216UART端口
15217动态电源管理
15218工作模式和状态
习题
参考文献