嵌入式系统原理与设计/姚英彪

第1章 嵌入式系统设计基础 1 1.1 嵌入式系统概述 1 1.1.1 嵌入式系统的定义 1 1.1.2 嵌入式系统的特点 1 1.1.3 嵌入式系统的发展趋势 2 1.2 计算机系统的组成 3 1.2.1 硬件系统 3 1.2.2 软件系统 5 1.2.3 软硬件系统的关系 6 1.3 计算机系统中的数据表示 7 1.3.1 数的r进制表示 7 1.3.2 原码、反码、补码和移码 8 1.3.3 浮点数的表示 11 1.3.4 非数值数据的编码 13 1.4 计算机系统的性能 15 1.4.1 性能量化指标 15 1.4.2 性能预测的摩尔定律 15 1.4.3 性能改进的Amdahl定律 16 1.5 嵌入式处理器 17 1.5.1 单片机 17 1.5.2 微处理器 18 1.5.3 数字信号处理器 19 1.5.4 嵌入式片上系统 19 习题 20 第2章 CPU组成与流水线设计 21 2.1 CPU组成 21 2.1.1 CPU的基本结构 21 2.1.2 CPU的主要寄存器 22 2.1.3 CPU的基本功能 23 2.2 CPU性能量化 24 2.2.1 CPU性能公式 24 2.2.2 提高CPU性能 25 2.3 流水线技术 26 2.3.1 流水线的概念 26 2.3.2 流水线的分类 28 2.3.3 流水线性能分析 30 2.4 流水线相关及解决方案 35 2.4.1 结构相关 35 2.4.2 数据相关 37 2.4.3 控制相关 40 2.5 ARM流水线举例 46 习题 47 第3章 存储系统组成与设计 49 3.1 存储器简介 49 3.1.1 存储原理 49 3.1.2 存储器分类 50 3.1.3 存储器性能指标 52 3.2 常用存储器 53 3.2.1 ROM 53 3.2.2 RAM 56 3.2.3 闪存 58 3.2.4 磁表面存储器 59 3.2.5 机械硬盘 62 3.2.6 固态硬盘 64 3.3 存储系统设计 66 3.3.1 主存储器的读写 66 3.3.2 存储系统的大小端 68 3.3.3 存储器字位扩展 69 3.3.4 分层存储系统设计 71 3.4 高速缓存系统设计 73 3.4.1 基本原理 73 3.4.2 主存与Cache的地址映像规则 75 3.4.3 Cache的替换算法与写策略 78 习题 81 第4章 总线与接口 82 4.1 总线的基本概念 82 4.1.1 总线的定义 82 4.1.2 总线的分类 82 4.1.3 总线的性能指标 83 4.1.4 总线结构 83 4.2 总线操作 85 4.2.1 总线操作阶段 85 4.2.2 总线仲裁 85 4.2.3 总线握手 88 4.3 常用总线标准 90 4.3.1 AMBA 91 4.3.2 PCI总线 91 4.3.3 PCIE总线 92 4.3.4 USB 93 4.4 常用接口标准 94 4.4.1 并行接口 94 4.4.2 串行接口 96 习题 98 第5章 基于ARM处理器的嵌入式硬件 系统设计 99 5.1 ARM处理器 99 5.1.1 ARM简介 99 5.1.2 ARM处理器的分类 99 5.1.3 经典ARM处理器后缀含义 102 5.1.4 ARM处理器工作状态及运行模式 103 5.1.5 ARM处理器支持的异常/中断 104 5.1.6 ARM处理器的寄存器 105 5.2 硬件系统设计基础 109 5.2.1 ARM芯片选型原则 109 5.2.2 存储芯片选型原则 111 5.2.3 电路原理图检查 111 5.2.4 *小硬件系统设计 113 5.3 ARM9处理器S3C2410 114 5.3.1 S3C2410简介 114 5.3.2 S3C2410结构特点 115 5.3.3 S3C2410各模块的主要功能 115 5.4 基于S3C2410的硬件电路设计 117 5.4.1 时钟、复位与电源电路设计 117 5.4.2 存储系统电路设计 123 5.4.3 基本接口电路设计 131 习题 140 第6章 ARM指令集及汇编程序设计 141 6.1 ARM指令体系结构 141 6.1.1 ARM指令体系特点 141 6.1.2 ARM指令体系结构的版本 141 6.1.3 ARM指令体系支持的数据类型 143 6.1.4 ARM处理器的指令集 143 6.1.5 ARM指令的条件码 143 6.1.6 ARM指令分类 145 6.2 ARM指令集 145 6.2.1 数据处理指令 145 6.2.2 存储器访问指令 153 6.2.3 跳转指令 162 6.2.4 杂项指令 164 6.3 Thumb指令集 168 6.3.1 Thumb指令集概述 168 6.3.2 Thumb指令集编码 168 6.3.3 Thumb指令集举例 169 6.4 ARM指令的寻址方式 171 6.4.1 寻址方式的类型 171 6.4.2 具体寻址方式 173 6.5 ARM伪指令与伪操作 180 6.5.1 ARM伪指令 180 6.5.2 ARM伪操作 182 6.6 ARM汇编程序设计 185 6.6.1 汇编语言结构 185 6.6.2 汇编语言程序示例 186 6.6.3 汇编语言与C/C++的混合编程 188 习题 190 第7章 Linux操作系统 192 7.1 Linux操作系统简介 192 7.1.1 Linux的发展历程 192 7.1.2 Linux系统组成与主要特点 194 7.1.3 Linux的版本 195 7.2 Linux内核 197 7.2.1 Linux内核的位置和作用 197 7.2.2 Linux内核组成及各子系统的作用 198 7.2.3 Linux内核的特征 200 7.3 进程与进程调度 201 7.3.1 进程的基本概念 201 7.3.2 进程控制块 204 7.3.3 与进程控制相关的系统调用 205 7.3.4 进程调度 208 7.4 内存管理 210 7.4.1 内存管理基础 210 7.4.2 主要机制及相互关系 212 7.4.3 内存管理的请页机制 213 7.4.4 物理内存分配与回收 214 7.4.5 内存管理的交换机制 217 7.5 进程通信 219 7.5.1 互斥和同步 219 7.5.2 同步机制 221 7.5.3 高级通信方式 223 7.5.4 Linux的进程通信 224 7.6 文件系统 227 7.6.1 Linux下的文件 228 7.6.2 虚拟文件系统 229 7.6.3 文件系统涉及的主要数据结构 231 7.6.4 文件系统的注册、安装与卸载 231 7.6.5 文件的打开与读写 232 习题 233 第8章 Linux下Shell命令与编程 235 8.1 基本概念 235 8.1.1 Shell简介 235 8.1.2 Linux下的目录与路径 236 8.1.3 Linux下的用户 238 8.2 常用Shell命令 239 8.2.1 目录和文件操作命令 239 8.2.2 用户管理命令 244 8.2.3 其他常用命令 247 8.2.4 命令行高级技巧 252 8.3 Shell编程基础 255 8.3.1 Shell脚本的执行 255 8.3.2 Shell脚本的输入和输出 256 8.3.3 Shell变量 257 8.3.4 算术运算 261 8.3.5 条件测试 264 8.4 Shell编程的控制语句 267 8.4.1 条件判断结构 267 8.4.2 多条件判断结构 269 8.4.3 循环结构 270 习题 274 第9章 Linux下程序设计工具 276 9.1 Vi编辑器 276 9.1.1 Vi概述 276 9.1.2 Vi的命令行模式 277 9.1.3 Vi的插入模式 280 9.1.4 Vi的底行模式 280 9.1.5 Vi使用实例 281 9.2 GCC编译器 284 9.2.1 GCC概述 284 9.2.2 编译流程 284 9.2.3 GCC编译选项 287 9.3 GDB调试器 292 9.3.1 GDB简介 292 9.3.2 GDB常用命令 293 9.3.3 GDB调试初步 294 9.3.4 GDB使用详解 296 9.4 Make项目管理器 306 9.4.1 Make概述 306 9.4.2 Make与Makefile的关系 308 9.5 Makefile编程 310 9.5.1 Makefile的规则 310 9.5.2 Makefile变量 313 9.5.3 Makefile高级编程 316 9.5.4 Makefile中的常用内部函数 319 习题 323 参考文献 326