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高性能嵌入式计算(原书第2版)


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[美]玛里琳·沃尔夫(Marilyn Wolf) 著
978-7-111-54051-9
89.00
340
2016年06月22日
刘彦 付彬 李仁发 译
计算机 > 计算机组织与体系结构 > 嵌入式计算机
Elsevier (Singapore) Pte Ltd
451
简体中文
16
High Performance Embedded Computing: Applications in Cyber-Physical Systems and Mobile Computing,Second Edition
教材
计算机科学丛书








本书采用一种独特的量化方法来论述现代嵌入式计算系统的设计,书中根据性能、功率和能量消耗以及成本应达到的量化目标描述了在设计中亟待解决的问题。贯穿全书的实际应用使得本书对专业人员、研究人员和学生来说都是及时且非常有价值的资源。
本书的目标是为高性能嵌入式计算这一迅速发展的领域提供一个参考框架。
—— HPCMagazine.com
计算机系统和工程领域的教育工作者都应该阅读这本书。本书从性能、体系结构和设计的不同视角阐述,有助于所有层次的学生加深对基本概念的理解。对于在计算机系统领域谋求发展的人来说,本书已经勾画出这个领域未来的蓝图。
—— Steven Johnson,印第安纳大学

本书第2版经过全面更新和扩展,涵盖了现代高性能嵌入式系统设计领域广泛使用的技术。现在智能手机、飞机、汽车、电力设备、医疗设备等许多应用都在使用嵌入式多处理器,所以让系统设计人员理解这些复杂技术必须依赖越来越复杂的硬件、软件和设计方法是非常重要的。
Wolf教授采用一种独特的量化方法来论述现代嵌入式计算系统的设计,解释如何定义和实现性能、功耗和成本的量化目标。贯穿全书的实例使得本书对专业人员、研究人员和学生来说都是及时且非常有价值的资源。

第2版主要特点:
新增了第8章,讨论信息物理系统(CPS)——将控制理论和嵌入式计算相结合的新兴智能系统。
讨论嵌入式计算的高级主题,包括针对嵌入式系统的热感知设计、可配置处理器、实时约束和功耗的软件优化、异构多处理器和嵌入式中间件。
深入讨论网络、可重配置系统、软硬件协同设计、安全和程序分析。

玛里琳·沃尔夫(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。
在第2版中,我试图用新的眼光来看待嵌入式计算和可以用于设计高性能嵌入式系统的各种技术。当前各种应用使用嵌入式多处理器和复杂的软件栈:智能手机、飞机、汽车、电力设备等。这些复杂的应用需要复杂的硬件、软件和设计方法。
我更新了每一章,部分章节进行了较多的修改。新增关于信息物理系统(CPS)的一章(第8章)。CPS在本书第1版出版后作为控制理论和嵌入式计算的一种综合体出现。虽然CPS影响了本书其他章节所描述的许多技术,但许多新的结果又应用在CPS的设计之中。我试图概述这些结果,并强调它们与其他章节所描述结果之间的关系。
本书编辑Todd Green和Nate McFadden给了我非常重要的帮助和建议。我要感谢匿名审稿人的真知灼见。书中任何疏漏(包括概念上、技术上或者文体上的)均由我负责。

——Marilyn Wolf
出版者的话
译者序
第2版前言
第1版前言
第1章 嵌入式计算1
 1.1 高性能嵌入式计算的现状1
 1.2 信息物理系统和嵌入式计算3
  1.2.1 交通工具控制和操作3
  1.2.2 医疗设备和系统5
  1.2.3 电力6
  1.2.4 无线电和网络7
  1.2.5 多媒体10
 1.3 设计方法12
  1.3.1 为什么使用设计方法13
  1.3.2 设计目标13
  1.3.3 基本设计方法14
  1.3.4 嵌入式设计流程15
  1.3.5 基于标准的设计方法16
  1.3.6 设计验证和确认18
  1.3.7 方法学18
  1.3.8 算法和体系结构联合开发19
 1.4 计算模型19
  1.4.1 为什么学习计算模型20
  1.4.2 图灵机20
  1.4.3 面向流模型21
  1.4.4 状态和控制的表示23
  1.4.5 并行性和通信24
  1.4.6 并行的来源和使用26
 1.5 可靠性、安全性和保密性27
  1.5.1 为什么需要可靠的嵌入式系统27
  1.5.2 可靠系统设计的基础28
  1.5.3 新型攻击和对策30
 1.6 消费类电子产品体系结构31
  1.6.1 蓝牙31
  1.6.2 WiFi32
  1.6.3 网络化消费类电子设备33
  1.6.4 高层次服务33
 1.7 小结和展望35
 本章所学内容35
 进一步阅读35
 习题35
 实验练习36
第2章 CPU37 2.1 引言37
 2.2 处理器的比较37
  2.2.1 评价处理器37
  2.2.2 处理器的分类38
  2.2.3 嵌入式处理器与通用处理器39
 2.3 RISC处理器和数字信号处理器39
  2.3.1 RISC处理器40
  2.3.2 数字信号处理器40
 2.4 并行执行机制44
  2.4.1 超长指令字处理器44
  2.4.2 超标量处理器45
  2.4.3 SIMD和向量处理器45
  2.4.4 线程级并行性46
  2.4.5 GPU46
  2.4.6 处理器资源的利用47
 2.5 性能可变CPU体系结构48
  2.5.1 动态电压和频率缩放49
  2.5.2 可靠性和错误感知计算49
 2.6 处理器存储层次结构50
  2.6.1 存储器组件模型50
  2.6.2 寄存器文件54
  2.6.3 缓存54
  2.6.4 暂存存储器56
 2.7 编码和安全56
  2.7.1 代码压缩56
  2.7.2 代码和数据压缩65
  2.7.3 低功率总线编码66
  2.7.4 安全性69
 2.8 CPU模拟71
  2.8.1 基于跟踪文件的分析73
  2.8.2 直接执行74
  2.8.3 微体系结构建模模拟器74
  2.8.4 功耗和热度的模拟与建模75
 2.9 自动化CPU设计75
  2.9.1 可配置处理器76
  2.9.2 指令集综合82
 2.10 小结86
 本章所学内容86
 进一步阅读86
 习题86
 实验练习87
第3章 程序88
 3.1 引言88
 3.2 代码生成和后端编译88
  3.2.1 指令模型89
  3.2.2 寄存器分配90
  3.2.3 指令选择和调度92
  3.2.4 代码放置93
  3.2.5 编程环境95
 3.3 面向存储的优化96
  3.3.1 循环变换96
  3.3.2 全局优化99
  3.3.3 缓冲区、数据传输和内存管理100
  3.3.4 面向缓存和暂存的优化102
  3.3.5 面向主存的优化104
 3.4 程序性能分析106
  3.4.1 性能模型107
  3.4.2 路径分析108
  3.4.3 路径计时110
 3.5 计算与编程模型114
  3.5.1 面向中断的语言115
  3.5.2 数据流语言116
  3.5.3 面向控制的语言120
  3.5.4 Java123
  3.5.5 计算异构模型124
 3.6 小结126
 本章所学内容126
 进一步阅读126
 习题127
 实验练习128
第4章 进程和操作系统129
 4.1 引言129
 4.2 实时进程调度129
  4.2.1 预备知识129
  4.2.2 实时调度算法131
  4.2.3 多关键级调度136
  4.2.4 动态电压和频率缩放调度138
  4.2.5 性能估计141
 4.3 语言和调度142
 4.4 操作系统设计146
  4.4.1 嵌入式操作系统的内存管理146
  4.4.2 实时操作系统结构146
  4.4.3 操作系统开销147
  4.4.4 对调度的支持148
  4.4.5 进程间通信机制149
  4.4.6 功耗管理149
  4.4.7 嵌入式设备中的文件系统150
 4.5 验证153
 4.6 小结155
 本章所学内容156
 进一步阅读156
 习题156
 实验练习157
第5章 多处理器体系结构158
 5.1 引言158
 5.2 为什么需要嵌入式多处理器159
  5.2.1 嵌入式系统需求159
  5.2.2 性能和能量160
  5.2.3 专用性和多处理器161
  5.2.4 灵活性和效率162
 5.3 多处理器设计技术162
  5.3.1 多处理器设计方法162
  5.3.2 多处理器的建模和模拟163
 5.4 多处理器体系结构简介164
 5.5 处理单元167
 5.6 互连网络167
  5.6.1 模型168
  5.6.2 网络拓扑169
  5.6.3 路由和流控制171
  5.6.4 片上网络172
 5.7 存储系统177
  5.7.1 传统并行存储系统177
  5.7.2 存储模型178
  5.7.3 异构存储系统178
  5.7.4 一致性并行存储系统180
 5.8 物理分布式系统和网络182
  5.8.1 CAN总线183
  5.8.2 时间触发架构183
  5.8.3 FlexRay184
  5.8.4 航空网络189
 5.9 多处理器设计方法和算法190
 5.10 小结193
 本章所学内容194
 进一步阅读194
 习题194
 实验练习195
第6章 多处理器软件196
 6.1 引言196
 6.2 嵌入式多处理器软件有何不同196
 6.3 实时多处理器操作系统197
  6.3.1 操作系统的角色197
  6.3.2 多处理器调度199
  6.3.3 动态任务的调度209
 6.4 嵌入式多处理器的服务和中间件210
  6.4.1 基于标准的服务211
  6.4.2 片上系统服务213
  6.4.3 服务质量216
 6.5 设计验证219
 6.6 小结220
 本章所学内容220
 进一步阅读220
 习题220
 实验练习222
第7章 系统级设计和软硬件协同设计223
 7.1 引言223
 7.2 性能估计223
  7.2.1 高层综合223
  7.2.2 加速器估计226
 7.3 软硬件协同综合算法228
  7.3.1 程序表达229
  7.3.2 平台表达230
  7.3.3 模板驱动的综合算法230
  7.3.4 通用多处理器的协同综合235
  7.3.5 多目标优化239
  7.3.6 控制和I/O综合242
  7.3.7 存储系统243
  7.3.8 可重构系统的协同综合244
 7.4 电子系统级设计245
 7.5 热度感知设计247
 7.6 可靠性249
 7.7 系统级模拟250
 7.8 小结252
 本章所学内容252
 进一步阅读252
 习题252
 实验练习253
第8章 信息物理系统254
 8.1 引言254
 8.2 控制理论和系统254
 8.3 控制/计算协同设计255
 8.4 网络化控制系统257
 8.5 设计方法学260
  8.5.1 基于模型的设计260
  8.5.2 形式化方法261
 8.6 安全性264
 8.7 小结267
 本章所学内容267
 进一步阅读268
 习题268
 实验练习268
术语表269
参考文献287
索引314
嵌入式计算系统的发展历史悠久,应用范围特别广泛。本书作者是嵌入式系统领域的著名学者,并具有丰富的产品开发经验。本书针对嵌入式计算所涉及的各个方面进行了框架性的综述,包括嵌入式处理器、编程与调度方法、多核处理器和系统设计方法等,第2版中增加了关于信息物理系统的章节,使其内容更为充实。
尽管嵌入式计算使用的很多技术来源于通用计算系统,但它也为设计者和使用者提出了很多独特的、新的挑战。嵌入式系统的应用通常对计算系统的实时性、功耗或者成本有更为严格的约束,无论是系统设计人员还是应用软件开发人员都需要对系统软硬件性能和应用特征有更为深入的了解,才能开发出满足诸多约束的、具有竞争力的产品。本书对计算机科学与工程相关领域基本概念和技术着墨不多,主要关注与高性能嵌入式计算领域相关的主题及其发展脉络,力图为每个特殊或者独特的课题找到其主要解决方法的重要经典文献,并全面阐述该领域当前最新研究进展。
要做好本书的翻译工作确实不容易。书中不仅涵盖了诸多新技术、新方法和新产品,而且涉及多个学科与领域的专业知识,对于我们来说,翻译本书也是一个不断学习、不断改进的过程。书中难免有疏漏之处,我们表示深深的歉意并恳请读者批评指正。

译者
计算机/嵌入式
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