本书从组件技术的视角出发，讲述了嵌入式计算的基本原理和技术。全书每一章涵盖一个专题，包括与嵌人式系统设计相关的若干主要内容：指令系统、CPU、计算平台、程序设计与分析、进程和操作系统、系统设计技术以及多处理器和网络等。
本书特别适合作为计算机、电子信息、通信工程、自动化、机电一体化、仪器仪表及相 关专业高年级本科生和研究生的教材，也适合相关的工程技术人员参考。
嵌入式计算系统设计原理（原书第3版）
Computers as Components
Principles of Embedded Computing System Design Third Edition
（美） Marilyn Wolf 佐治亚理工学院 著 李仁发 湖南大学 等译
本书从组件技术的视角出发，介绍了嵌入式系统设计技术和技巧。本书自第1版出版以来，已广泛应用于教学，并为实践设计提供了宝贵指南。第3版根据最先进的技术发展进行了更新，更详细阐述操作系统中的进程通信和缓冲，尤其是新增了数字信号处理、多媒体和CPS方面的实例。作者介绍了德州仪器的最新处理器、ARM、美国微芯科技公司及软件、操作系统、网络、消费性电子设备等。不论是进行软硬件设计的研究人员、学生还是专家，都能从Marilyn Wolf的集成化工程设计方法中获益匪浅。
本书特色
以实际芯片（ARM芯片、TI C55x DSP和PIC）为例，进行相关设计技术和技巧的说明，向读者介绍如何将这些理论付诸于设计实践。
在所有关键课题讨论中都尤为强调现实中的设计实践，从而为学生和设计人员提供了最先进技术的指导。
对设计实践中所必需的基本应用技术进行重点讨论，帮助读者在实际工作中熟练设计大型、复杂的嵌入式系统。
作者简介
Marilyn Wolf 佐治亚理工学院教授，佐治亚研究联合会优秀学者。她分别于1980年、1981年和1984年获得斯坦福大学电子工程学士学位、硕士学位和博士学位。1984年至1989年任职于贝尔实验室，1989年至2007年执教于普林斯顿大学。她是IEEE和ACM会士、IEEE计算机协会核心成员以及ASEE和SPIE成员。她于2003年获得ASEE Frederick E. Terman奖，于2006年获得IEEE电路与系统教育奖。她的研究兴趣主要包括嵌入式计算、嵌入式视频和计算机视觉、VLSI系统。
第3版前言
Computers as Components: Principles of Embedded Computing System Design, Third Edition
本书第3版反映了我对嵌入式计算的深入思考以及对本书读者的若干建议，其中一个重要的目标是扩大嵌入式计算应用的范围。学习有关数码相机和汽车之类的主题需要付出很多努力。我希望本书可以为这些系统中最直接影响嵌入式计算设计者决策的部分提供一些有用的见解。我也扩大了示例处理器的范围，包括尖端的处理器，如T1 C64x和高级ARM扩展(advanced ARM extension)，同时还包括PIC16F，并通过它描述小型RISC嵌入式处理器的特性。最后重新组织了网络和多处理器章节，使这些紧密相关的主题看起来更统一。读者可以在课程网站http://wwwmarilynwolfus寻找附加的材料，这个网站包含了上面所说的所有内容，实验样例以及获取附加信息的提示。
我要感谢Nate McFadden、Todd Green和Andre Cuello，感谢他们耐心的编辑以及在本书修订过程中对我的关心。我还要感谢匿名的评论者和科罗拉多大学的Andrew Pleszkun教授，他们对本书草稿富有洞察力的评论让我受益匪浅。特别感谢David Anderson、Phil Koopman和Bruce Jacob帮助我理解了一些内容。同样要感谢Atlanta Snowpocalypse of 2011给了我大量不受打扰的写作时间。
最重要的是，现在正是表达我对父亲的无比感激的时候。他教会我如何去工作：不仅仅是教会我怎样做具体的事情，更重要的是教会我如何处理问题，开拓思路，然后把它们转化为成果。一直以来，他教我如何体贴关心他人。感谢您，父亲。
Marilyn Wolf
第2版前言
Computers as Components: Principles of Embedded Computing System Design, Third Edition
相对2000年本书第1版出版的时候，如今嵌入式计算更为重要。更多的产品中使用了嵌入式处理器，从玩具到飞机都有应用。片上系统现在使用几百个CPU。手机朝着新的标准计算平台方向发展。就像2006年9月《IEEE Computer》杂志上我的专栏中所指出的那样，当今世界至少有50万嵌入式系统程序员，可能接近80万。
在这一版中，我尽力做了更新和补充。本书的一个主要改变是使用TI TMS320 C55xTM(C55x) DSP。我慎重地重写了关于实时调度的讨论。尝试将性能分析主题在尽可能多的抽象层次上扩展。指出多处理器在甚至最平凡的嵌入式系统中的重要性，此版对硬/软件协同设计和多处理器也进行了更普通化的介绍。
计算机教学领域内的一个改变是，本教材成为了越来越低年级的课本。过去用于研究生的教材现在用于高年级本科生；在可预见的未来，本书的部分内容将可作为大学二年级教材。我认为可以选取本书的部分内容去覆盖更先进和更基础的课程。一些高年级学生可能不需要前面章节的背景知识，这样可以花更多时间在软件性能分析、调度和多处理器上。当开设介绍性课程时，软件性能分析可作为探索微处理器体系结构和软件体系结构的一个可选方案；这样的课程可以关注前几章的内容。
本书和我的其他书的新网站是http://www.waynewolf.us。在这个网站里，可以找到本书相关材料的概括、实验建议，还可找到关于嵌入式系统的更多信息的网站链接。
感谢
感谢许多帮助我完成第2版的人。德州仪器的Cathy Wicks和Naser Salameh在理解C55x上给了我非常有价值的帮助。 FreeRTOS.org的Richard Barry不仅慷慨地允许我引用他的操作系统中的源码，还帮我澄清代码的解释。本书的编辑是Morgan Kaufmann出版社的Chuck Glaser，他知道何时需要耐心，何时需要鼓励，何时需要诱导。当然，还要感谢Nancy和Alec耐心为我录入。本书的任何问题，不管是大是小，自然都是我个人的责任。
Wayne Wolf
第1版前言
Computers as Components: Principles of Embedded Computing System Design, Third Edition
微处理器早已成为我们生活的一部分，然而，微处理器足够强大以致能执行真正复杂的功能还是近几年的事。根据摩尔定律，微处理器飞速发展的结果是嵌入式计算作为一门学科出现。在微处理器的早期阶段，所有组件相对较小也较简单，需要且期望把一些单独的指令和逻辑门集中在一起。今天，当系统包含了几千万个晶体管和数万行高级语言代码时，我们必须使用有助于我们处理复杂性的设计技术。
本书试图捕捉嵌入式计算这一新学科的某些基本原理和技术。嵌入式计算的某些挑战在台式机计算世界中是众所周知的。例如，为从带流水线的高速缓存体系结构中获得最高性能，经常需要仔细分析程序轨迹。类似地，随着嵌入式系统的复杂性不断增长，在软件工程中针对特定复杂系统开发的技术变得十分重要。另外一个例子是设计多进程系统。对于台式机，通用操作系统的需求与实时操作系统的需求是截然不同的；过去30年针对大型实时系统开发的实时技术如今已普遍用于基于微处理器的嵌入式系统中。
嵌入式计算还面临一些新的挑战。一个较好的例子是功耗问题。在传统计算机系统中功耗已经不是一个主要考虑因素，但是对于用电池供电的嵌入式计算机，这是一个基本考虑因素，而且在功耗容量受重量、成本或噪声等限制的情况下是十分重要的。另外一种挑战是截止时限驱动的程序设计。嵌入式计算机常常对程序完成的期限做硬性限制；这种形式的限制在台式机世界里是罕见的。随着嵌入式处理器越来越快，高速缓存和其他CPU单元也使得执行时间越来越难以预测。然而，通过仔细分析和巧妙编程，我们可以设计可预测执行时间的嵌入式程序，甚至面对高速缓存等不可预测的系统部件也如此。
幸运的是，有许多工具可用来处理复杂嵌入式系统所面临的挑战：高级语言、程序性能分析工具、进程和实时操作系统，等等。但是理解这些工具如何协调地一起工作本身就是一项很复杂的任务。本书提供了一种自底向上的方法来理解嵌入式系统设计技术。通过先理解微处理器硬件和软件的基础知识，我们就能获得有助于创建复杂系统的强有力的抽象能力。
对于嵌入式系统专业人员的忠告
本书不是一本用来理解某种特定微处理器的手册。为什么在这里呈现的技术你会感兴趣呢？有两个理由：第一，诸如高级语言编程和实时操作系统这样的技术对于构造大型实际的复杂嵌入式系统是非常重要的。生产会因为不能工作的错误系统设计而被弄得杂乱无章，系统之所以不能工作是因为它们的设计者试图从出现的问题中寻求解决方法而不是从问题中走出来换个更大的视角研究问题。第二，用于建造嵌入式系统的组件是经常变化的，但其原理不变。一旦你掌握了创建复杂嵌入式系统所涉及的基本原理，就可以迅速地学习一种新的微处理器（或编程语言），并且把同样的基本原理用于新的组件。
对于教师的忠告
传统的微处理器系统设计起源于20世纪70年代，当时微处理器的种类相对有限。传统课程强调定制硬件和软件来构建一个完整系统。因此，它只强调某一特定微处理器的特性，包括其指令系统、总线接口，等等。
本书采用更抽象的途径研究嵌入式系统。本书利用一切机会讨论实际组件和应用，但本质上它不是一本微处理器数据手册，因此它的论述方法初看起来是新奇的。本书不是集中于某种特定微处理器，而是试图用一般性的例子来推出更一般的应用原理。本人认为这种方法对于教学更有利，而从长远角度来看对于学生也更有用。对于教学更有利是因为不必太过于依赖复杂的实验室装置，而只需花费一些时间在纸上练习、模拟和编程练习。对于学生更有用是因为他们在这一领域的最终工作所使用的组件和设施与学校的肯定是不同的。一旦学生掌握了基础知识，他们学习新组件的细节就会容易得多。
对于获得有关嵌入式系统的物理直觉，实践经验特别重要。某些硬件设计经验是非常宝贵的；我认为每一个学生都应该知道烧制塑封集成电路块的气味。但我强烈建议你避免专注于硬件设计。如果你花费太多的时间去构建硬件平台，你将没有足够的时间去编写有趣的程序。一个实际问题是，大多数课程没有时间让学生用高性能I/O设备和可能的多处理器来建造复杂的硬件平台。多数学生可以通过测量和评价一个现有的硬件平台来学习硬件知识。编制复杂嵌入式系统程序的实践也可以教给学生相当多的硬件知识，调试中断驱动代码是学生基本不会忘记的一种经验。
本书的主页（www.mkp.com/embed）中包括本书相关材料的概括、教师手册、实验材料、到相关Web站点的链接以及包含习题解答的有口令保护的ftp站点的链接。
感谢
感谢许多帮助我准备这本书的人。一些人给了我关于本书各个方面的建议：关于规格说明的Steve Johnson（印第安纳大学），关于程序跟踪的Louise Trevillyan和Mark Charney（均在IBM研究所），关于高速缓存未命中的Margaret Martonosi（普林斯顿大学），关于低功耗的Randy Harr（Synopsys），关于低功耗的Phil Koopman（卡内基-梅隆大学），关于低功耗计算与累加器的Joerg Henkel（NEC C&C实验室），关于实时操作系统的Lui Sha（伊利诺伊大学），关于ARM体系结构的John Rayfield（ARM），关于编译器和SHARC的David Levine（Analog Devices），以及关于SHARC的Con Korikis（Analog Devices）。许多人员在各阶段对本书进行了审阅：David Harris（哈维姆德学院）；Jan Rabaey（加州大学伯克利分校）；David Nagle（卡内基-梅隆大学）；Randy Harr（Synopsys）；Rajesh Gupta、Nikil Dutt、Frederic Doucet和Vivek Sinha（加州大学欧文分校）；Ronald D. Williams（弗吉尼亚大学）；Steve Sapiro（SC 协会）；Paul Chow（多伦多大学）；Bernd G. Wenzel（Eurostep）；Steve Johnson（印第安纳大学）；H. Alan Mantooth（阿肯色大学）；Margarida Jacome（得克萨斯大学奥斯汀分校）；John Rayfield（ARM）；David Levine（Analog Devices）；Ardsher Ahmed（马萨诸塞大学/达特茅斯大学）；Vijay Madisetti（佐治亚理工学院）。还要特别感谢编辑Denise Penrose，Denise费了很大精力寻找本书的潜在用户并和他们交流，帮助我们了解读者想要学什么。特别感谢她的直觉和坚持。Cheri Palmer和她的出版团队在无法想象的紧迫日程内作了出色的工作。当然，所有的错误和失误都是我的。
Wayne Wolf
计算机\硬件
封底文字参照影印书，并加影印书小封面、定价、书号
数字系统设计已经进入一个新的时代。当微处理器设计转向一种典型的优化工作时，只把微处理器作为其部件的嵌入式计算系统设计已经成为一种广阔的科技前沿。无线系统、可穿戴系统、网络系统、智能家电、工业过程系统、先进汽车系统以及生物接口系统由于与这个新领域产生了交叉而提供了一些例子。
受传感器、转换器、微电子学、处理器性能、操作系统、通信技术、用户接口和封装技术进步的推动以及对于人类的需要和市场潜能更深入的理解，正在涌现出大量新的系统和应用。现在系统设计师和嵌入式系统设计人员的责任是把这些可能变成现实。
然而，在现阶段，嵌入式系统设计仍处于一种手工阶段。虽然有关硬件组件和软件子系统的知识是很清楚的，但是还没有协调整个设计过程的通用系统设计方法，在大多数项目中嵌入式系统的设计仍然采用某种特定方法。
嵌入式系统设计所面临的某些挑战源于基础技术的改变以及系统各部件如何能全部正确地混合和集成在一起的细微之处，另一些挑战源于新的并且常常是不熟悉的系统需求。此外，用于通信和协作的基础设施和技术的改善已经使快速设计以响应市场需求呈现出前所未有的可能性。但是，还没有有效的设计方法和相关的设计工具足以迅速应付这些挑战。
在VLSI时代的开始阶段，晶体管和导线是基本部件，快速设计基于芯片的计算机是一种梦想。今天，CPU和各种特殊处理器以及子系统仅是一些基本部件，但快速、高效地设计极复杂的嵌入式系统却仍是一个梦想。现在不但系统规格说明极其复杂，而且它们遇到了实时期限、低功耗、有效地支持复杂实时用户界面、强劲的成本竞争以及设计的系统必须可升级等问题。
Wayne Wolf教授编写了系统地处理大量新的系统设计需求和挑战的第一本教科书。他提出了嵌入式系统设计的形式体系和方法学，那些真正要理解跨越大量部件技术的系统设计基础、构造新型“超薄”系统的设计师可以运用这些方法。
从分析每一种技术基础出发，Wolf教授为规范和建造系统结构及行为提供了形式化方法，然后通过一系列示例解析这些思想。他仔细研究了所涉及的复杂性以及如何系统化地处理这些复杂问题。你会提前清楚地理解这些设计问题的本质，并知道如何攻克这些难关的关键方法和工具。
作为嵌入式系统设计的第一本教科书，本书将被证明是在这个重要和最新出现的领域里获得知识的一个无价的工具。本书亦可以作为实际设计工作的参考，并在设计过程中作为可信的指南。我强烈地向读者推荐本书。
Lynn Conway
密歇根大学电子工程和计算机科学系名誉教授
李仁发 等译：暂无简介
嵌入式计算系统的应用在日常生活中已无所不在，嵌入式系统的开发者遍布世界，嵌入式计算系统的研究在广度和深度上日益增加。
《Computers as Components: Principles of Embedded Computing System Design》是第一本系统讲述嵌入式计算这门学科的书，其第1版和第2版已经被全球多所高校的嵌入式系统相关课程采用。
在第3版中，作者针对嵌入式计算应用大幅扩展的现状，相较于前一版，对内容进行了重新组织和更新：增加了数码相机和汽车应用相关的全新嵌入式设计示例；新增了TI C64X和先进的ARM芯片等处理器相关内容，尤其在阐释小型RISC嵌入式处理器时介绍了PIC16F；重组了网络和多处理器等与主题紧密相关的内容。全书每一章涵盖一个专题，包括与嵌入式系统设计相关的若干主要内容：指令系统、CPU、计算平台、程序设计与分析、进程和操作系统、系统设计技术以及多处理器和网络等。
本书内容丰富，文字通俗流畅，讲述深入浅出，配合了丰富的设计示例与编程示例，使得读者在进行理论学习的同时，能够较容易地联系实际，加深对嵌入式计算设计思想的理解，并获得先进的技术实践指导。
本书特别适合作为计算机、电子信息、通信工程、自动化、机电一体化、仪器仪表及相关专业高年级本科生和研究生的教材，也适合相关的工程技术人员参考。
参与本书翻译工作的有：连佩佩（第1章）、张欢（第2章）、晏巍（第3章）、凌纯清（第4章）、王欢欢（第5章）、黄丽达（第6章）、马萌（第7章）、肖玲（第8章），术语由凌纯清、黄丽达和肖玲共同翻译完成，许莹、肖竹、何晶、蒋斌和杨超等参与了校对工作。李仁发教授统筹了全书的翻译，组织、汇总与校订由黄丽达负责。徐成教授给予了大量的专业指导，并审阅了全书。
由于时间与水平所限，译稿中难免存在不妥或错误之处，敬请读者指正。
译者
2013年7月
出版者的话
译者序
序言
第3版前言
第2版前言
第1版前言
第1章嵌入式计算
1.1引言
1.2复杂系统与微处理器
1.2.1嵌入式计算机
1.2.2嵌入式计算应用的特点
1.2.3为什么要使用微处理器
1.2.4网络物理系统
1.2.5嵌入式计算系统设计所面临的挑战
1.2.6嵌入式计算系统的性能
1.3嵌入式系统的设计过程
1.3.1需求
1.3.2规格说明
1.3.3体系结构设计
1.3.4设计硬件组件和软件组件
1.3.5系统集成
1.3.6系统设计的形式化方法
1.3.7结构描述
1.3.8行为描述
1.4设计示例：模型火车控制器
1.4.1需求
1.4.2DCC
1.4.3概念性规格说明
1.4.4详细的规格说明
1.4.5本节所学内容
1.5本书概览
1.5.1第2章：指令系统
1.5.2第3章：CPU
1.5.3第4章：计算平台
1.5.4第5章：程序设计和分析
1.5.5第6章：进程和操作系统
1.5.6第7章：系统设计技术
1.5.7第8章：网络和多处理器
1.6总结
本章学习要点
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第2章指令系统
2.1引言
2.2预备知识
2.2.1计算机体系结构分类
2.2.2汇编语言
2.2.3超长指令字处理器
2.3ARM处理器
2.3.1处理器和存储器组织
2.3.2数据操作
2.3.3控制流
2.3.4高级ARM特性
2.4PICmicro中档系列
2.4.1处理器和存储器组织
2.4.2数据操作
2.4.3控制流
2.5TI C55x DSP
2.5.1处理器和存储器组织
2.5.2寻址方式
2.5.3数据操作
2.5.4流程控制
2.5.5C编码准则
2.6TI C64x
2.7总结
本章学习要点
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第3章CPU
3.1引言
3.2输入/输出编程
3.2.1输入/输出设备
3.2.2输入/输出原语
3.2.3忙等I/O
3.2.4中断
3.3管态、异常和陷阱
3.3.1管态
3.3.2异常
3.3.3陷阱
3.4协处理器
3.5存储系统机制
3.5.1高速缓存
3.5.2存储管理单元和地址转换
3.6CPU的性能
3.6.1流水线技术
3.6.2高速缓存的性能
3.7CPU的功耗
3.8设计示例：数据压缩器
3.8.1需求和算法
3.8.2规格说明
3.8.3程序设计
3.8.4测试
3.9总结
本章学习要点
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第4章计算平台
4.1引言
4.2基本计算平台
4.2.1平台硬件组件
4.2.2平台软件组件
4.3CPU总线
4.3.1总线结构和协议
4.3.2DMA
4.3.3系统总线配置
4.4存储设备和系统
4.5计算平台的设计
4.5.1示例平台
4.5.2平台选择
4.5.3知识产权
4.5.4开发环境
4.5.5调试技术
4.5.6调试难点
4.6消费类电子设备的体系结构
4.6.1消费类电子设备的用例和需求
4.6.2文件系统
4.7平台级性能分析
4.8设计示例：闹钟
4.8.1需求
4.8.2规格说明
4.8.3系统体系结构
4.8.4组件设计与测试
4.8.5系统集成与测试
4.9设计示例：音频播放器
4.9.1工作原理和需求
4.9.2规格说明
4.9.3系统体系结构
4.9.4组件设计与测试
4.9.5系统集成与调试
4.10总结
本章学习要点
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第5章程序设计与分析
5.1引言
5.2嵌入式程序组件
5.2.1状态机
5.2.2循环缓冲区和面向流的程序设计
5.2.3队列和生产者/消费者系统
5.3程序模型
5.3.1数据流图
5.3.2控制/数据流图
5.4汇编、连接和装载
5.4.1汇编程序
5.4.2连接
5.4.3目标代码设计
5.5编译技术
5.5.1编译处理
5.5.2基本编译方法
5.5.3编译器优化
5.6程序级性能分析
5.6.1程序性能的要素
5.6.2测量驱动的性能分析
5.7软件性能优化
5.7.1循环优化
5.7.2cache优化
5.7.3性能优化策略
5.8程序级功耗分析与优化
5.9程序大小的分析与优化
5.10程序验证与测试
5.10.1白盒测试
5.10.2黑盒测试
5.10.3评估功能测试
5.11设计示例:软件调制解调器
5.11.1工作原理和需求
5.11.2规格说明
5.11.3系统体系结构
5.11.4组件设计与测试
5.11.5系统集成与测试
5.12设计示例：数码相机
5.12.1工作原理和需求
5.12.2规格说明
5.12.3系统体系结构
5.12.4组件设计与测试
5.12.5系统集成与测试
5.13总结
本章学习要点
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第6章进程和操作系统
6.1引言
6.2多任务和多进程
6.3多速率系统
6.3.1进程的时限要求
6.3.2CPU使用率度量
6.3.3进程状态与调度
6.3.4运行周期性进程
6.4可抢占的实时操作系统
6.4.1两个基本概念
6.4.2进程和上下文
6.4.3进程和面向对象的设计
6.5基于优先级的调度
6.5.1单一速率调度
6.5.2共享资源
6.5.3优先级反转
6.5.4最早截止时限优先调度
6.5.5RMS和EDF的比较
6.5.6模型化的假设的详细介绍
6.6进程间通信机制
6.6.1共享内存通信
6.6.2消息传递
6.6.3信号
6.6.4邮箱
6.7评估操作系统性能
6.8进程的功耗优化策略
6.9实时操作系统举例
6.9.1POSIX
6.9.2Windows CE
6.10设计示例：电话应答机
6.10.1工作原理和需求
6.10.2规格说明
6.10.3系统体系结构
6.10.4组件设计和测试
6.10.5系统集成和测试
6.11设计示例：发动机控制单元
6.11.1工作原理和需求
6.11.2规格说明
6.11.3系统体系结构
6.11.4组件设计与测试
6.11.5系统集成与测试
6.12总结
本章学习要点
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实验练习
第7章系统设计技术
7.1引言
7.2设计方法学
7.2.1为什么需要设计方法学
7.2.2设计流
7.3需求分析
7.4规格说明
7.4.1面向控制的规格说明语言
7.4.2改进的规格说明
7.5系统分析和结构设计
7.6质量保证
7.6.1质量保证技术
7.6.2检验规格说明
7.6.3设计评审
7.7总结
本章学习要点
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实验练习
第8章网络和多处理器
8.1引言
8.2为什么要使用网络和多处理器
8.3多处理器分类
8.4分布式嵌入式系统
8.4.1网络抽象模型
8.4.2CAN总线
8.4.3汽车和飞机上的分布式计算
8.4.4I2C总线
8.4.5以太网
8.4.6因特网
8.5多处理器片上系统和共享存储多处理器
8.5.1异构共享存储多处理器
8.5.2加速器
8.5.3加速器性能分析
8.5.4调度和分配
8.6设计示例：视频加速器
8.6.1视频压缩
8.6.2算法和需求
8.6.3规格说明
8.6.4体系结构
8.6.5组件设计
8.6.6系统测试
8.7应用示例：CD
8.8总结
本章学习要点
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术语
索引
