高性能嵌入式计算
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- 原书名： High-Performance Embedded Computing: Architectures, Applications, and Methodologies
- 原出版社： Morgan Kaufmann
- 作者： （美）Wayne Wolf
- 译者： 鞠大鹏 王海霞 汪东升
- 丛书名： 计算机科学丛书
- 出版社：机械工业出版社
- ISBN：9787111288220
- 上架时间：2010-7-2
- 出版日期：2010 年6月
- 开本：16开
- 页码：332
- 版次：1-1
- 所属分类：
计算机 > 计算机组织与体系结构 > 嵌入式计算机
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本书从性能、功率、能耗等方面阐述了嵌入式系统与传统通用计算机系统在设计上的区别。本书第1章是背景资料，第2章介绍嵌入式系统使用的各种处理器，第3章研究程序，第4章讨论多处理器系统，第5章介绍多处理器体系结构，第6章介绍多处理器的软件及其调度算法，第7章专注于硬件和软件的协同设计。全书包含大量实例，涵盖许多嵌入式计算领域的高级主题，适合已熟悉嵌入式软硬件基础知识的技术人员和学生阅读。
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出版者的话
译者序
前言
本书赞誉
第1章嵌入式计算
1.1高性能嵌入式计算的前景
1.2示例应用
1.2.1无线电和网络
1.2.2多媒体
1.2.3车辆控制和操作
1.2.4传感器网络
1.3设计目标
1.4设计方法
1.4.1基本设计方法
1.4.2嵌入式系统设计流程
1.4.3基于标准的设计方法
1.4.4设计检验和确认
1.4.5方法论
1.4.6算法与体系结构联合开发
1.5计算模型
译者序
前言
本书赞誉
第1章嵌入式计算
1.1高性能嵌入式计算的前景
1.2示例应用
1.2.1无线电和网络
1.2.2多媒体
1.2.3车辆控制和操作
1.2.4传感器网络
1.3设计目标
1.4设计方法
1.4.1基本设计方法
1.4.2嵌入式系统设计流程
1.4.3基于标准的设计方法
1.4.4设计检验和确认
1.4.5方法论
1.4.6算法与体系结构联合开发
1.5计算模型
译者序回到顶部↑
嵌入式计算应用非常广泛，发展历史也很悠久。Wayne Wolf是这一研究领域的翘楚，本书是他在嵌入式计算系统设计方面的代表作。该书针对诸如空间、时间及功耗等关键性嵌入式系统资源，从设计方法、实现机制到优化技术提供了一整套详尽论述，同时还大量涉及了与多处理器系统相关的重要设计问题。
尽管嵌入式计算利用了很多已有的计算机科学和工程技术，但它也提出了一些独特的挑战。首先，绝大多数嵌入式系统必须实时完成任务，需要软硬件设计人员的设计思想有重大转变。其次，嵌入式计算更加侧重于功耗。要满足这两点特定需求，更好地设计这类更加复杂的系统，有必要对嵌入式硬件和软件特性展开深入研究。本书的目标是为新兴的高性能嵌入式计算领域提供一个参考框架，包含了绝大部分技术人员和学生感兴趣的高级嵌入式计算系统的课题。在所涉及课题的选择上，Wayne Wolf力图确保它们是在嵌入式计算领域中独有的课题和结论。同时作者特意介绍了一些来自其他学科的背景材料，以此为平台更好地探讨嵌入式系统问题。
尤为难能可贵的是，Wayne Wolf除了引经据典，竭尽所能为每个问题找到其主要解决方法的代表性文献之外，还亲自指导了书中提到的许多课题的研究工作，而且在许多他构造的嵌入式系统中实践了提出的设计方法，收到了良好的效果。
要做好本书的中文翻译工作的确很不容易，不仅是因为书中的许多新技术、新方法，而且作者在各个相关的研究领域都有所涉猎，对于初次接触的我们来说，翻译本书也是一个经验积累、不断学习改进的过程，因此本书延迟了很长一段时间才完稿。当然，书中译文不确切的地方可能会有不少，我们表示歉意的同时也衷心恳请读者批评指正。
在中译本行将出版之际，对参与本书翻译及校对工作的刘振宇博士等表示由衷的感谢，正是他们辛苦、细致的工作才促成今天这一成果的实现。
译者
2010年5月
尽管嵌入式计算利用了很多已有的计算机科学和工程技术，但它也提出了一些独特的挑战。首先，绝大多数嵌入式系统必须实时完成任务，需要软硬件设计人员的设计思想有重大转变。其次，嵌入式计算更加侧重于功耗。要满足这两点特定需求，更好地设计这类更加复杂的系统，有必要对嵌入式硬件和软件特性展开深入研究。本书的目标是为新兴的高性能嵌入式计算领域提供一个参考框架，包含了绝大部分技术人员和学生感兴趣的高级嵌入式计算系统的课题。在所涉及课题的选择上，Wayne Wolf力图确保它们是在嵌入式计算领域中独有的课题和结论。同时作者特意介绍了一些来自其他学科的背景材料，以此为平台更好地探讨嵌入式系统问题。
尤为难能可贵的是，Wayne Wolf除了引经据典，竭尽所能为每个问题找到其主要解决方法的代表性文献之外，还亲自指导了书中提到的许多课题的研究工作，而且在许多他构造的嵌入式系统中实践了提出的设计方法，收到了良好的效果。
要做好本书的中文翻译工作的确很不容易，不仅是因为书中的许多新技术、新方法，而且作者在各个相关的研究领域都有所涉猎，对于初次接触的我们来说，翻译本书也是一个经验积累、不断学习改进的过程，因此本书延迟了很长一段时间才完稿。当然，书中译文不确切的地方可能会有不少，我们表示歉意的同时也衷心恳请读者批评指正。
在中译本行将出版之际，对参与本书翻译及校对工作的刘振宇博士等表示由衷的感谢，正是他们辛苦、细致的工作才促成今天这一成果的实现。
译者
2010年5月
前言回到顶部↑
本书的目标是为新兴的高性能嵌入式计算领域提供一个参考框架。计算机的发展已经远远超越了早期的8位微控制器时代。如今，嵌入式计算机由能够运行成千上万行代码的微处理器构成。它们实时运行并且功耗很低。为了适当地设计这类系统，人们已经对嵌入式硬件和软件特性展开了深入研究。现实生活中的飞机、手机和数字电视等都依赖于高性能嵌入式系统。我们对如何设计这类系统已经相当了解，但还有更多的知识需要掌握。
实时控制实际上是计算机最初的应用之一——第1章中提到的MIT Whirlwind（旋风）计算机研制于20世纪50年代，用于武器控制。但微处理器使嵌入式计算开始在计算机应用领域中占据相对非常重要的位置。尽管复杂的嵌入式系统在1980年以前就已经开始使用，但嵌入式计算作为一个学术研究领域直到20世纪90年代才形成。即便现在，许多传统的计算机科学和工程学科在探讨嵌入式计算课题时并没有充分了解其他学科研究领域中的相关工作。
嵌入式计算机应用非常广泛，每年售出数十亿台。成千上万的专业人员设计嵌入式系统，至少50万程序员从事嵌入式软件编程。尽管嵌入式系统在构成细节上千差万别，但应用于嵌入式计算领域的原理是通用的。有些原理几十年前就已经被发现，而另外一些则是近期刚被人们知晓的。嵌入式计算作为一个研究领域，其发展促使嵌入式系统设计从一种技术转变为一门学科，这种转变适当地使某些重要的、有时甚至是对安全至关重要的任务可以完全托付给嵌入式计算机来完成。
关于这个领域，有理由提出这样一个问题：它与传统的计算机系统课题——例如客户端/服务器系统或科学计算——相比有什么区别？我们是否仅仅将相同的理论应用于更小的系统，还是需要研究一些新的东西？我相信，尽管嵌入式计算利用了很多计算机科学和工程技术，但它也提出了一些特有的挑战。
首先，绝大多数嵌入式系统必须实时完成任务。这需要软件和硬件设计人员的设计思想有重大转变。其次，嵌入式计算更加侧重于能耗。能耗在计算机系统的各个方面都是十分重要的，但嵌入式应用与很多通用系统相比，更加注重能耗效率。上述两点导致要满足特定的需求，嵌入式系统与通用系统相比，需要更加复杂的设计。
本书假设读者已经熟悉嵌入式硬件和软件的基础知识，例如在《计算机组成原理》中可能提到的内容。在此基础上，本书探讨一系列深入的课题。在要介绍的课题的选择上，我力图确保它们是在嵌入式计算领域中独有的课题和结论。我特意介绍了一些来自其他学科的背景材料，从而做好准备以便更好地探讨嵌入式系统问题。
下面是本书简要的介绍：
第1章为其他章提供了一些重要的背景材料。其中将定义一组嵌入式计算领域的中心课题。它着眼于方法论和设计目标。我们研究了计算模型，它是应用特性的参考框架。这一章还研究了一些基于嵌入式计算的重要应用，为全书中将要用到的一些术语提供背景。
第2章着眼于一些嵌入式系统中使用的不同类型的处理器。我们考虑优化处理器性能的技术，例如电压调整和嵌入式CPU中的处理器内存体系。我们着眼于优化嵌入式CPU的技术，例如代码压缩和总线编码，以及模拟处理器技术。
第3章研究程序。编译过程的后端有助于决定代码的质量，它是第一个主题。我们将在内存系统优化方面花费很多时间进行研究，因为内存特性是性能和能耗的主要决定性因素。我们考虑性能分析，包括模拟和最坏执行时间分析。我们还讨论计算模型如何反映到编程模型和编程语言中。
第4章转向多处理器系统。我们将研究和比较调度算法，包括语言设计和调度机制之间的交互。我们评估操作系统体系结构及其导致的负载。我们还会考虑检验多处理器系统特性的方法。
第5章集中讨论多处理器体系结构。我们考虑交通工具中使用的紧耦合的多处理器和物理分布的系统。我们描述体系结构及其组件：处理器、内存和网络。我们还将讨论多处理器的设计方法。
第6章着眼于多处理器的软件和它们的调度算法。我们还研究多处理器中动态资源分配使用的中间件体系结构。
第7章专注于硬件和软件的协同设计。我们研究用于描述嵌入式应用和目标体系结构的不同模型。我们将会涉及很多用于协同综合的算法，并比较这些算法使用的模型和假设。
希望这本书能涵盖高级嵌入式计算系统的技术人员和学生感兴趣的绝大部分主题。有些主题的参考文献很少：嵌入式系统的软件测试就是一个典型例子。我试图为每个问题找到其主要解决方法的代表性文章。但是很遗憾，在很多情况下我无法充分描述一个特定的问题。
这本书是关于嵌入式计算的；它略微涉及但没有详细阐述下面的一些相关领域：
应用——嵌入式系统被设计用来支持例如多媒体、通信等应用。由于对应用领域有一定了解非常重要，因此第1章介绍了一些关于应用的基本概念。关于这些应用领域的深入介绍请查阅其他文献。
VLSI——尽管片上系统是嵌入式系统的重要介质，但它们不是唯一的介质。汽车、飞机和很多其他重要系统由分布式嵌入网络控制。
混合系统——混合系统研究连续系统和离散系统之间的交互。这是一个重要且有趣的领域，很多嵌入式系统能够利用混合系统技术，但混合系统有专门的文献进行阐述。
软件工程——软件设计是一个内容很丰富的领域，它提供了重要的基础。但对于特定于嵌入式计算的很多问题并未回答。
实时控制实际上是计算机最初的应用之一——第1章中提到的MIT Whirlwind（旋风）计算机研制于20世纪50年代，用于武器控制。但微处理器使嵌入式计算开始在计算机应用领域中占据相对非常重要的位置。尽管复杂的嵌入式系统在1980年以前就已经开始使用，但嵌入式计算作为一个学术研究领域直到20世纪90年代才形成。即便现在，许多传统的计算机科学和工程学科在探讨嵌入式计算课题时并没有充分了解其他学科研究领域中的相关工作。
嵌入式计算机应用非常广泛，每年售出数十亿台。成千上万的专业人员设计嵌入式系统，至少50万程序员从事嵌入式软件编程。尽管嵌入式系统在构成细节上千差万别，但应用于嵌入式计算领域的原理是通用的。有些原理几十年前就已经被发现，而另外一些则是近期刚被人们知晓的。嵌入式计算作为一个研究领域，其发展促使嵌入式系统设计从一种技术转变为一门学科，这种转变适当地使某些重要的、有时甚至是对安全至关重要的任务可以完全托付给嵌入式计算机来完成。
关于这个领域，有理由提出这样一个问题：它与传统的计算机系统课题——例如客户端/服务器系统或科学计算——相比有什么区别？我们是否仅仅将相同的理论应用于更小的系统，还是需要研究一些新的东西？我相信，尽管嵌入式计算利用了很多计算机科学和工程技术，但它也提出了一些特有的挑战。
首先，绝大多数嵌入式系统必须实时完成任务。这需要软件和硬件设计人员的设计思想有重大转变。其次，嵌入式计算更加侧重于能耗。能耗在计算机系统的各个方面都是十分重要的，但嵌入式应用与很多通用系统相比，更加注重能耗效率。上述两点导致要满足特定的需求，嵌入式系统与通用系统相比，需要更加复杂的设计。
本书假设读者已经熟悉嵌入式硬件和软件的基础知识，例如在《计算机组成原理》中可能提到的内容。在此基础上，本书探讨一系列深入的课题。在要介绍的课题的选择上，我力图确保它们是在嵌入式计算领域中独有的课题和结论。我特意介绍了一些来自其他学科的背景材料，从而做好准备以便更好地探讨嵌入式系统问题。
下面是本书简要的介绍：
第1章为其他章提供了一些重要的背景材料。其中将定义一组嵌入式计算领域的中心课题。它着眼于方法论和设计目标。我们研究了计算模型，它是应用特性的参考框架。这一章还研究了一些基于嵌入式计算的重要应用，为全书中将要用到的一些术语提供背景。
第2章着眼于一些嵌入式系统中使用的不同类型的处理器。我们考虑优化处理器性能的技术，例如电压调整和嵌入式CPU中的处理器内存体系。我们着眼于优化嵌入式CPU的技术，例如代码压缩和总线编码，以及模拟处理器技术。
第3章研究程序。编译过程的后端有助于决定代码的质量，它是第一个主题。我们将在内存系统优化方面花费很多时间进行研究，因为内存特性是性能和能耗的主要决定性因素。我们考虑性能分析，包括模拟和最坏执行时间分析。我们还讨论计算模型如何反映到编程模型和编程语言中。
第4章转向多处理器系统。我们将研究和比较调度算法，包括语言设计和调度机制之间的交互。我们评估操作系统体系结构及其导致的负载。我们还会考虑检验多处理器系统特性的方法。
第5章集中讨论多处理器体系结构。我们考虑交通工具中使用的紧耦合的多处理器和物理分布的系统。我们描述体系结构及其组件：处理器、内存和网络。我们还将讨论多处理器的设计方法。
第6章着眼于多处理器的软件和它们的调度算法。我们还研究多处理器中动态资源分配使用的中间件体系结构。
第7章专注于硬件和软件的协同设计。我们研究用于描述嵌入式应用和目标体系结构的不同模型。我们将会涉及很多用于协同综合的算法，并比较这些算法使用的模型和假设。
希望这本书能涵盖高级嵌入式计算系统的技术人员和学生感兴趣的绝大部分主题。有些主题的参考文献很少：嵌入式系统的软件测试就是一个典型例子。我试图为每个问题找到其主要解决方法的代表性文章。但是很遗憾，在很多情况下我无法充分描述一个特定的问题。
这本书是关于嵌入式计算的；它略微涉及但没有详细阐述下面的一些相关领域：
应用——嵌入式系统被设计用来支持例如多媒体、通信等应用。由于对应用领域有一定了解非常重要，因此第1章介绍了一些关于应用的基本概念。关于这些应用领域的深入介绍请查阅其他文献。
VLSI——尽管片上系统是嵌入式系统的重要介质，但它们不是唯一的介质。汽车、飞机和很多其他重要系统由分布式嵌入网络控制。
混合系统——混合系统研究连续系统和离散系统之间的交互。这是一个重要且有趣的领域，很多嵌入式系统能够利用混合系统技术，但混合系统有专门的文献进行阐述。
软件工程——软件设计是一个内容很丰富的领域，它提供了重要的基础。但对于特定于嵌入式计算的很多问题并未回答。
媒体评论回到顶部↑
本书是对系统设计方面资料文献的及时增补。嵌入式系统设计数量以及安装数量已经远远超过了通用计算系统的数量，然而介绍有关嵌入式系统设计方面的书籍却寥寥无几。这本书对嵌入式系统设计的大量研究问题进行了详尽论述，从设计方法学、评价机制到针对存储空间、运行时间及能耗等嵌入式系统关键资源的优化技术。此外，本书还涵盖了越来越重要的与多处理器系统相关的设计问题。Wayne Wolf是嵌入式设计领域专家中的领军人物，他亲自指导了本书中提到的许多课题的研究工作，而且在他构造的大量嵌入式系统中实践了书中提出的设计方法。本书不仅有益于经验丰富的嵌入式系统设计者，而且也将使设计新手获益匪浅。
——Daniel P. Siewiorek，卡内基-梅隆大学
本书重点介绍高端嵌入式计算机。在这个领域，设计人员需要在硬件和软件设计中达到一种平衡，可以推断该研究领域将主导未来几年中最新设计方法学的发展方向。围绕最佳工业界设计实例和真实设计实例和应用，Wayne Wolf认真组织并集中介绍了大量最先进的研究方法，其中许多方法很可能成为未来10年一些设计成功的关键之处。这本书恰逢其时，最适用于攻读高级嵌入式计算机工程课程的设计人员和学生，同时也有助于研究人员和科学家了解发生在计算机体系结构和电子设计自动化等交叉领域的重要研究进展。
——Paolo Ienne, 洛桑理工学院, 洛桑, 瑞士
处理器正不断离开我们的办公桌，而逐步嵌入到我们的家电设备、汽车、电话中，甚至不久的将来我们的衣服、钱包也要用到它们。可以肯定，嵌入式计算在体系结构范围内不再是一个缓慢、无聊、无足轻重的研究问题,它已成为一个核心的研究问题。Wayne Wolf的书将硬件和软件设计综合起来介绍，对有志于嵌入式系统设计的研究人员颇有益处。
——Rob A. Rutenbar, 卡内基-梅隆大学
计算机系统工程学各领域的教育工作者都应该看一看这本书。它在性能、体系结构以及设计等方面的不同观点使各层次学生对相关基本概念有了更加深入的理解。在我看来，它为任何从事“系统”领域研究的人来说指明了发展的方向。
——Steven Johnson, 印第安纳大学
现在生活中嵌入式设备越来越多, 人们日常活动中经常把手机、PDA及MP3等带在身边。这些设备的设计及约束条件与通用的计算系统（如笔记本或台式电脑）有很大差异。本书详细探讨了这些基本设计问题，同时也涉及了一些新的研究领域，如传感器网络和多处理器。
——Mitchell D. Theys, 芝加哥伊利诺伊大学
本书不仅介绍了嵌入式计算的最新研究进展和相关实例系统，还特别介绍了嵌入式计算中的软/硬件协同设计及多处理器体系结构设计等问题。这部不凡的书将适于研究人员、设计人员及学生阅读，并从中受益。
——Andreas Polze, 哈索-普拉特纳学院, 波茨坦大学
嵌入式计算机系统无处不在。这部书将工业实践经验与最新的业界研究成果整合在一起，深入并全面地论述了高性能嵌入式系统的基础设计、关键问题、最新研究问题及在现实世界中面临的挑战。本书将非常适用于研究生、科研人员、实践专家。
——Jie Hu, 新泽西理工学院
——Daniel P. Siewiorek，卡内基-梅隆大学
本书重点介绍高端嵌入式计算机。在这个领域，设计人员需要在硬件和软件设计中达到一种平衡，可以推断该研究领域将主导未来几年中最新设计方法学的发展方向。围绕最佳工业界设计实例和真实设计实例和应用，Wayne Wolf认真组织并集中介绍了大量最先进的研究方法，其中许多方法很可能成为未来10年一些设计成功的关键之处。这本书恰逢其时，最适用于攻读高级嵌入式计算机工程课程的设计人员和学生，同时也有助于研究人员和科学家了解发生在计算机体系结构和电子设计自动化等交叉领域的重要研究进展。
——Paolo Ienne, 洛桑理工学院, 洛桑, 瑞士
处理器正不断离开我们的办公桌，而逐步嵌入到我们的家电设备、汽车、电话中，甚至不久的将来我们的衣服、钱包也要用到它们。可以肯定，嵌入式计算在体系结构范围内不再是一个缓慢、无聊、无足轻重的研究问题,它已成为一个核心的研究问题。Wayne Wolf的书将硬件和软件设计综合起来介绍，对有志于嵌入式系统设计的研究人员颇有益处。
——Rob A. Rutenbar, 卡内基-梅隆大学
计算机系统工程学各领域的教育工作者都应该看一看这本书。它在性能、体系结构以及设计等方面的不同观点使各层次学生对相关基本概念有了更加深入的理解。在我看来，它为任何从事“系统”领域研究的人来说指明了发展的方向。
——Steven Johnson, 印第安纳大学
现在生活中嵌入式设备越来越多, 人们日常活动中经常把手机、PDA及MP3等带在身边。这些设备的设计及约束条件与通用的计算系统（如笔记本或台式电脑）有很大差异。本书详细探讨了这些基本设计问题，同时也涉及了一些新的研究领域，如传感器网络和多处理器。
——Mitchell D. Theys, 芝加哥伊利诺伊大学
本书不仅介绍了嵌入式计算的最新研究进展和相关实例系统，还特别介绍了嵌入式计算中的软/硬件协同设计及多处理器体系结构设计等问题。这部不凡的书将适于研究人员、设计人员及学生阅读，并从中受益。
——Andreas Polze, 哈索-普拉特纳学院, 波茨坦大学
嵌入式计算机系统无处不在。这部书将工业实践经验与最新的业界研究成果整合在一起，深入并全面地论述了高性能嵌入式系统的基础设计、关键问题、最新研究问题及在现实世界中面临的挑战。本书将非常适用于研究生、科研人员、实践专家。
——Jie Hu, 新泽西理工学院
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