基于FPGA的可编程SoC设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:第1版 (2006年6月1日)

作者:董代洁

出品人:

页数:295

译者:

出版时间:2006-6

价格:26.00

装帧:平装

isbn号码:9787810778510

丛书系列:

图书标签:

• FPGA
• SoC
• 可编程系统
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• Verilog
• VHDL
• 数字电路
• 系统设计
• 计算机体系结构

《嵌入式系统架构与高级软件开发》 图书简介 本册著作深入剖析了当代嵌入式系统的核心构成、先进架构设计理念以及面向复杂应用的高级软件开发实践。它摒弃了对单一硬件平台的局限性描述，转而聚焦于跨越微控制器（MCU）、微处理器（MPU）乃至更高集成度系统（如异构计算平台）的通用设计原则和方法论。本书旨在为具备一定数字电路和基础编程经验的工程师和研究人员，提供一个系统化、工程化的知识框架，以应对日益增长的计算密集型、实时性要求苛刻的嵌入式应用挑战。 全书内容组织严谨，分为四个主要部分，层层递进，确保读者能够从底层硬件抽象到顶层应用逻辑，构建起全面的认知体系。 --- 第一部分：嵌入式系统基石与现代架构演进 本部分着重于奠定坚实的理论基础，并探讨当前主流嵌入式系统架构的演变趋势。 1. 嵌入式系统概述与发展脉络： 详细阐述嵌入式系统的定义、关键特性（如实时性、功耗约束、可靠性），并梳理其从传统控制器向智能、连接化系统迁移的历史轨迹。重点分析了物联网（IoT）、边缘计算（Edge Computing）对系统设计提出的新要求。 2. 处理器选型与指令集架构（ISA）深度解析： 本书不局限于某一特定的ISA，而是对比分析了冯·诺依曼与哈佛架构的适用场景，深入剖析了精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）的优劣。特别针对现代嵌入式系统中占据主导地位的ARM Cortex-M和Cortex-A系列，进行了详尽的流水线设计、异常处理机制以及内存保护单元（MPU/MMU）的原理性介绍。对于新型的向量处理单元和AI加速器的集成趋势，也进行了前瞻性论述。 3. 内存体系结构与访问优化： 全面解析嵌入式系统中的存储层次结构，包括SRAM、DRAM（LPDDR/DDR规范解析）以及非易失性存储（Flash, eMMC, UFS）。重点讨论了存储器控制器的工作原理、突发传输机制、缓存一致性问题（Cache Coherency）以及地址翻译过程，为理解高性能数据交换打下基础。 4. 系统总线与互连技术： 系统地介绍了片上总线（On-Chip Bus）的设计哲学。内容涵盖了传统的共享总线结构（如AHB/APB）以及面向多核、高带宽需求的先进互连协议（如AXI、NoC的概念模型）。对仲裁机制、数据宽度扩展和协议握手流程进行了细致的案例分析。 --- 第二部分：实时操作系统（RTOS）与任务调度 本部分是软件设计的核心，聚焦于如何管理和协调嵌入式系统中的并发任务，确保系统满足严格的时序要求。 5. 实时操作系统的核心机制： 详尽介绍RTOS的构成要素，包括内核（Kernel）、任务管理、进程间通信（IPC）原语（信号量、消息队列、事件组）。重点阐述了RTOS如何实现上下文切换（Context Switching）的细节和性能开销。 6. 高级任务调度算法： 系统性地比较了不同的调度策略，包括固定优先级抢占式调度、轮转法、最早截止时间优先（EDF）以及资源可预占性调度。着重分析了优先级反转问题、死锁（Deadlock）的识别与避免策略，并结合实时性分析（Schedulability Analysis）工具，指导读者设计可验证的调度方案。 7. 中断与异常处理的精细控制： 深入探讨了中断服务程序（ISR）的设计原则，强调如何最小化ISR的执行时间。讲解了中断延迟（Interrupt Latency）的构成因素，并介绍了嵌套向量中断控制器（NVIC）或类似硬件的配置与优化技巧。 8. 内存管理在RTOS中的应用： 对比了基于内存池（Memory Pool）和基于堆栈（Heap）的动态内存分配策略。探讨了静态内存分配在高可靠性系统中的优势，并分析了内存碎片化对实时性能的影响。 --- 第三部分：底层驱动与硬件抽象层（HAL）设计 本部分侧重于软件与硬件的桥梁构建，强调驱动程序的健壮性和可移植性。 9. 设备驱动程序设计范式： 阐述了驱动程序在操作系统中的标准接口定义（如Linux驱动模型或专有RTOS的设备模型）。涵盖了字符设备、块设备和网络设备的通用驱动框架结构。 10. 外设接口编程实践： 针对嵌入式系统中常见的关键外设，如定时器（Timer）、通用异步收发器（UART）、串行外设接口（SPI）、I2C、以及高速的模数/数模转换器（ADC/DAC），提供了详细的寄存器级操作和软件抽象方法。特别强调了DMA（直接内存访问）在数据高速传输中的应用和配置要点。 11. 硬件抽象层（HAL）的构建与维护： 系统论述了HAL设计的目的、层次划分和接口规范。通过清晰的层级分离，演示如何使上层应用代码摆脱对特定芯片寄存器集的依赖，从而提高代码的可移植性和长期可维护性。 12. 低功耗与电源管理技术： 全面覆盖嵌入式系统中的功耗管理策略，包括处理器时钟门控、电源域切换、睡眠模式（Sleep/Deep Sleep）的唤醒机制。介绍了如何通过固件手段精确控制系统在不同工作负载下的能耗曲线。 --- 第四部分：高级软件工程与系统验证 本部分关注提升软件的质量、可靠性和可维护性，引入现代软件工程实践到嵌入式领域。 13. 嵌入式软件的并发控制与同步： 超越基本的信号量，深入探讨了更高级的同步原语，如屏障（Barrier）、读写锁（RW Lock）在多核或多线程系统中的应用。详细分析了临界区（Critical Section）的保护技术。 14. 嵌入式系统调试与跟踪技术： 重点介绍硬件调试接口（如JTAG/SWD）的工作原理，以及如何有效利用断点、观察点、实时跟踪缓冲（ETB/ETM）进行复杂问题的定位。探讨了基于日志（Logging）和远程调试（Remote Debugging）的有效结合方式。 15. 软件测试与可靠性保障： 系统地介绍了针对嵌入式软件的单元测试（Unit Testing）、集成测试（Integration Testing）和系统级验收测试的策略。内容包括基于模型测试（Model-Based Testing）的概念、故障注入（Fault Injection）在增强系统鲁棒性中的作用。 16. 嵌入式系统安全基础： 探讨嵌入式设备面临的安全威胁（如侧信道攻击、固件篡改）。介绍了安全启动（Secure Boot）、硬件信任根（RoT）的基本架构，以及如何在资源受限的环境中实现数据加密和安全通信协议的初步集成。 --- 本书通过大量图示、伪代码以及跨平台（非特定于单一硬件系列）的软件设计实例，旨在培养读者从系统级而非组件级的角度去审视和解决嵌入式设计难题的能力，使其能够适应未来异构计算和高可靠性系统开发的严苛要求。

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