Arm System Architecture, Vlsi Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Addison-Wesley

作者:Steve Furber

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1996-12

价格:USD 47.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780201177862

丛书系列:

图书标签:

• ARM
• 系统架构
• VLSI
• 嵌入式系统
• 处理器
• 计算机体系结构
• 硬件设计
• 数字电路
• 微电子学
• ARM架构

《 Arm System Architecture, Vlsi Edition 》—— 架构之基石，设计之精髓 本书深入剖析了 Arm 处理器架构的核心理念及其在超大规模集成电路（VLSI）设计中的具体应用。从基础指令集架构（ISA）到高级的系统级集成，为读者提供了一个全面而深入的理解框架。对于任何致力于 Arm 平台软硬件协同设计、嵌入式系统开发、处理器内核实现，以及相关领域的研究者和工程师而言，本书无疑是一本不可或缺的参考手册。 从指令到系统：Arm 架构的宏观与微观 本书首先为读者构建了 Arm 架构的宏观图景，详细阐述了其不同版本 ISA 的演进历程，特别是 ARMv7、ARMv8 以及更近期的架构特性。读者将理解 Arm 架构为何能在移动设备、嵌入式系统乃至服务器领域占据主导地位，其指令集设计的哲学——简洁、高效、低功耗——是如何实现的。 在微观层面，本书深入剖析了 Arm 处理器的核心部件，包括： 流水线（Pipeline）设计： 详细讲解了多级流水线的工作原理，如取指、译码、执行、访存、写回等阶段，以及如何通过各种技术（如分支预测、乱序执行、超标量）来提升指令吞吐量和执行效率。 寄存器文件（Register File）： 介绍了 Arm 架构中通用寄存器、程序计数器（PC）、状态寄存器（CPSR/APSR）等的用途和管理机制。 内存管理单元（MMU）与缓存（Cache）： 深入探讨了虚拟内存的实现机制，包括页表、TLB（Translation Lookaside Buffer）等，以及 L1、L2、L3 缓存的工作原理、缓存一致性协议（如 MESI/MOESI）在多核系统中的重要性。 异常处理（Exception Handling）： 详细解释了中断、陷阱、复位等异常事件的产生、处理流程以及如何通过向量表来响应。 VLSI 实现中的挑战与优化 本书的另一大亮点在于将 Arm 架构的理论知识与 VLSI 设计实践紧密结合。在这一部分，读者将了解到： 处理器微架构设计： 如何将 Arm ISA 转化为具体的硬件电路实现。这包括对各种逻辑电路的设计，如 ALU、控制器、多路选择器等，以及如何平衡性能、功耗和面积（PPA - Performance, Power, Area）。 时序分析与设计（Timing Analysis and Design）： 在高频 VLSI 设计中，时序是至关重要的。本书会讲解建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）等概念，以及如何通过时钟树综合（CTS）、寄生参数提取（Parasitic Extraction）等手段来保证时序收敛。 功耗管理技术（Power Management Techniques）： Arm 处理器以其低功耗特性闻名。本书会深入介绍各种功耗优化策略，例如时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、动态电压频率调整（DVFS）等，以及它们在 VLSI 电路中的具体实现。 异步电路设计（Asynchronous Circuit Design）： 在某些对功耗和电磁干扰（EMI）要求极高的应用中，异步设计也是一种重要的选择。本书会探讨异步控制和数据通路的设计方法。 物理设计流程（Physical Design Flow）： 从 RTL 综合（RTL Synthesis）到布局布线（Place and Route），再到后仿真（Post-simulation）和版图验证（Layout Verification），本书会概述整个 VLSI 物理设计流程，并强调 Arm 架构设计在其中的考量。 互连与总线协议（Interconnects and Bus Protocols）： 在复杂的片上系统（SoC）中，不同 IP 核之间的高效通信至关重要。本书会讲解 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议族，如 AXI、AHB、APB 等，及其在 Arm 系统中的应用。 高级主题与实战应用 除了核心的架构和 VLSI 实现，本书还触及了许多高级主题： 多核处理器设计（Multi-core Processor Design）： 随着计算需求的不断增长，多核设计已成为主流。本书会探讨多核系统中的缓存一致性、线程调度、任务分配等挑战。 安全与可信执行环境（Security and Trusted Execution Environment）： Arm TrustZone 等安全技术是本书的重要组成部分，它解释了如何在硬件层面实现安全隔离，保护敏感数据和代码。 性能分析与优化（Performance Analysis and Optimization）： 如何使用性能计数器（Performance Counters）、仿真工具（Simulation Tools）等来分析和优化 Arm 处理器的性能。 IP 核集成与 SoC 设计： 在实际的 SoC 设计中，需要将 Arm CPU IP 核与其他外设 IP（如内存控制器、GPU、DSP 等）进行集成。本书会介绍这一过程中的关键考虑因素。 总结 《 Arm System Architecture, Vlsi Edition 》是一本为有志于深入理解 Arm 架构并将其应用于实际 VLSI 设计的工程师和研究人员量身打造的著作。它不仅提供了坚实的理论基础，更侧重于将抽象的架构概念转化为具体的硬件实现细节，帮助读者掌握在复杂的集成电路设计中实现高性能、低功耗 Arm 处理器的关键技术。通过本书的学习，读者将能够更好地应对现代电子系统设计的挑战，创造出更强大、更高效的计算设备。

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这本书的排版和索引系统做得相当出色，这对于一本动辄上千页的参考书来说至关重要。在查阅特定寄存器地址或者某个特定的指令格式时，清晰的页码和精准的交叉引用能极大地节省时间。尽管内容非常硬核，但作者在引入新概念时，总是会先用一个简短的、类比式的描述来勾勒出其功能，然后再迅速进入技术细节，这种“先知后术”的安排使得阅读节奏不至于过于枯燥。我特别喜欢书中对“定制化扩展”的讨论，它没有将 ARM 视为一个一成不变的封闭系统，而是探讨了客户如何通过自定义指令集扩展（Custom Extensions）或添加协处理器来优化特定领域的算法，比如机器学习加速器或信号处理模块的集成方式。这种前瞻性和对未来发展趋势的关注，让这本书不仅仅是一份对当前架构的详尽记录，更像是一份对未来系统设计方法的预演。总而言之，这是一本值得反复研读、并在实际工作中随时翻阅的典范之作。

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坦率地说，这本书的阅读体验是充满挑战性的，它要求读者具备扎实的数字电路基础和一定的汇编语言功底。如果你期望的是那种读起来轻松愉快、像小说一样的技术读物，那么这本书可能会让你感到挫败。它更像是一本为资深架构师准备的案头参考书，需要反复咀嚼和对照官方规范才能完全消化。我特别留意了它处理“内存模型”那几章，这部分内容历来是 ARM 架构中最晦涩难懂的部分之一。作者没有回避其复杂性，而是采用了层层递进的方式，先建立起理想化的内存模型，然后逐步引入内存屏障（Barrier）的种类和使用场景，最后结合具体的乱序执行单元是如何破坏顺序性的实例进行剖析。书中对内存屏障语义的阐述，清晰地区分了 Load/Store 屏障与数据依赖屏障之间的细微差别，这一点在编写高度优化的并发代码时至关重要。虽然阅读过程需要频繁查阅其他资料进行辅助理解，但这恰恰证明了本书内容的密度和专业性，它为你搭建了知识体系的骨架，而你则需要用实践的血肉去丰满它，这种主动学习的过程，远比被动接受信息来得更有价值。

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这本书的深度和广度着实让人印象深刻，它绝非市面上那些泛泛而谈、只停留在官方手册摘要层面的参考资料。真正让人感到“值回票价”的是它对底层硬件实现细节的揭示。例如，在谈到缓存一致性协议时，作者并未满足于简单介绍 MESI 协议的原理，而是花了大量篇幅讨论了在多核、多传感器的异构计算场景下，如何设计高效的缓存一致性维护机制，以及不同仲裁策略（如基于硬件的窥探与基于软件的同步屏障）在功耗和延迟方面的具体差异。阅读到关于总线结构的那一部分时，我感觉自己仿佛置身于一个虚拟的芯片设计室，作者带领我们一步步搭建起一个完整的 AXI/ACE 互联矩阵，详细解释了仲裁器的状态机设计、突发传输的实现细节以及跨域时钟同步带来的挑战。书中大量的图表，尤其那些描述数据流和控制流的流程图，绘制得极其精细且逻辑严密，即便是初次接触这些复杂概念的读者，也能借助这些可视化工具快速抓住核心。而且，许多内容似乎是基于作者实际参与的芯片设计项目经验提炼出来的，其中穿插的一些“陷阱”提醒和“最佳实践”建议，对于正在进行 ASIC 或 FPGA 实现的工程师来说，是能直接提升工作效率的宝贵财富，这体现出作者深厚的工程实践背景。

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这本书的封面设计乍一看就透露出一种专业和严谨的气息，厚重的装帧和沉稳的色调，让人立刻感受到这不是一本轻松阅读的入门读物，而是为那些真正想深入了解底层硬件架构的工程师和学生准备的“硬菜”。翻开扉页，首先映入眼帘的是详尽的目录结构，清晰地勾勒出从最基础的指令集架构（ISA）到复杂的片上系统（SoC）互联、内存管理单元（MMU）乃至高级性能优化策略的全景图。作者在引言部分就明确指出了本书的定位——不仅仅是讲解“是什么”，更侧重于“为什么”和“如何实现”。比如，在讲解流水线设计时，它没有停留在标准的五级或七级流水线模型的图示上，而是深入剖析了不同微架构（如乱序执行、分支预测的精度对实际性能的影响）背后的权衡取舍，这对于需要在资源受限环境下进行定制化设计的人来说，无疑是宝贵的实战经验。我特别欣赏它对不同 ARM 版本的演进路径的梳理，从早期的精简指令集哲学，到后来为了应对高性能计算需求而引入的复杂特性，这种历史脉络的梳理，帮助读者建立起一个宏观的认知框架，避免了只见树木不见森林的窘境。全书的语言风格非常务实，几乎没有冗余的修饰词，每一个句子都像是在传递精确的技术信息，这在技术书籍中是非常难得的品质。

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这本书在系统级抽象和具体硬件单元的连接方面，展现出了一种极高的集成度。很多书籍会单独讨论 CPU 核心、I/O 控制器或电源管理单元（PMU），但这本书的独特之处在于，它着重强调了这些组件如何在 SoC 层面协同工作。比如，关于电源/时钟门控（Power/Clock Gating）的讨论，它不仅描述了硬件如何实现低功耗模式，更重要的是，它深入探讨了操作系统（如 Linux 内核）的电源管理驱动程序如何通过特定的寄存器接口与硬件PMU进行交互，以实现平滑的性能/功耗切换。这使得读者能从一个更全面的视角来审视整个设计流程——从硅片上的晶体管到运行在顶层的应用程序。此外，书中关于调试和验证方法的论述也颇具洞察力。它提出了如何利用 JTAG/SWD 接口进行复杂的系统级调试，并对硬件验证（Verification）中常用的 UVM (Universal Verification Methodology) 在 ARM 架构验证中的应用场景进行了概述，这对于从事验证工作的工程师来说，是非常及时的参考。

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