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本书介绍了基于ARM内核的嵌入式微处理器系统的体系结构、组成原理、工程设计方法和核心设计技术。全书首先讲述微处理器系统的组成、系统结构的基本概念和原理；然后从逻辑电路、IP核设计的层次，对微处理器的体系结构、指令系统设计的核心技术进行深入研讨，揭示了微处理器系统中软件指令和硬件电路之间的接口联系、工程设计方法与流程。书中讨论了基于ARM内核的微处理器软硬件系统的结构及组成，以提高读者编写与底层硬件交互的高效代码的工程设计能力和素质，并着重探讨了嵌入式操作系统的系统结构、操作系统移植、引导和加载等关键技术；书中还讨论了嵌入式系统的软硬件协同设计及基于ARM内核的SoC设计技术。

第1章  概述	(1)
   1.1  计算机的发展	(1)
　　　　　1.1.1  电子计算机技术	(1)
　　　　　1.1.2  普适计算与泛在通信	(2)
   1.2  集成电路与SoC设计	(6)
　　　　　1.2.1  集成电路技术	(6)
　　　　　1.2.2  基于IP的SoC设计	(6)
   1.3  先进处理器技术	(9)
　　　　　1.3.1  片上多核处理器	(9)
　　　　　1.3.2  流处理器	(10)
　　　　　1.3.3  存内处理器	(11)
　　　　　1.3.4  可重构处理器	(12)
   1.4  嵌入式系统	(14)
　　　　　1.4.1  嵌入式系统的概念	(14)
　　　　　1.4.2  嵌入式系统的组成	(15)
　　　　　1.4.3  嵌入式系统中的处理器	(16)
　　　　　1.4.4  嵌入式系统的发展趋势	(17)
　　　　　1.4.5  学习嵌入式系统的意义	(18)
   习题	(18)
第2章  计算机系统的结构组成与工作原理	(19)
   2.1  计算机系统的基本结构与组成	(19)
　　　　　2.1.1  计算机系统的层次模型	(19)
　　　　　2.1.2  计算机系统的结构、组织与实现	(21)
   2.2  计算机系统的工作原理	(22)
　　　　　2.2.1  冯·诺依曼计算机架构	(22)
　　　　　2.2.2  模型机系统结构	(23)
　　　　　2.2.3  模型机指令集	(26)
　　　　　2.2.4  模型机工作流程	(27)
   2.3  微处理器体系结构的改进	(28)
　　　　　2.3.1  冯·诺依曼结构的改进	(29)
　　　　　2.3.2  并行技术的发展	(33)
　　　　　2.3.3  流水线结构	(34)
　　　　　2.3.4  超标量与超长指令字结构	(36)
　　　　　2.3.5  多机与多核结构	(38)
   2.4  计算机体系结构分类	(40)
   2.5  计算机性能评测	(42)
　　　　　2.5.1  字长	(42)
　　　　　2.5.2  存储容量	(43)
　　　　　2.5.3  运算速度	(43)
   习题	(44)
第3章  微处理器体系结构及关键技术	(46)
   3.1  微处理器体系结构及功能模块	(46)
　　　　　3.1.1  微处理器的基本功能	(46)
　　　　　3.1.2  微处理器的基本结构	(47)
　　　　　3.1.3  一个简化的微处理器模型示例	(48)
   3.2  微处理器设计	(50)
　　　　　3.2.1  微处理器的设计步骤	(50)
　　　　　3.2.2  控制器的操作与功能	(51)
　　　　　3.2.3  硬连逻辑控制器设计	(53)
　　　　　3.2.4  微程序控制器设计	(55)
　　　　　3.2.5  寄存器组设计	(57)
   3.3  指令系统设计	(58)
　　　　　3.3.1  机器指令系统	(58)
　　　　　3.3.2  指令格式	(59)
　　　　　3.3.3  寻址方式	(60)
　　　　　3.3.4  指令系统设计要点	(64)
   3.4  指令流水线技术	(64)
　　　　　3.4.1  流水线技术的特点	(65)
　　　　　3.4.2  流水线技术的局限性	(67)
　　　　　3.4.3  指令流水线的性能指标	(70)
   3.5  典型微处理器体系结构简介	(71)
　　　　　3.5.1  ARM体系结构	(71)
　　　　　3.5.2  Intel x86体系结构	(72)
   习题	(74)
第4章  总线技术与总线标准	(75)
   4.1  总线技术	(75)
　　　　　4.1.1  概述	(75)
　　　　　4.1.2  总线仲裁	(79)
　　　　　4.1.3  总线操作与时序	(81)
　　　　　4.1.4  串行总线	(85)
   4.2  总线标准	(88)
　　　　　4.2.1  片上AMBA总线	(88)
　　　　　4.2.2  PCI系统总线	(95)
　　　　　4.2.3  PCI-E总线标准	(105)
　　　　　4.2.4  通用异步串行总线标准	(114)
   习题	(116)
第5章  存储器系统	(117)
   5.1  存储器件的分类	(117)
　　　　　5.1.1  按存储介质分类	(117)
　　　　　5.1.2  按读写策略分类	(120)
   5.2  半导体存储芯片的基本结构与性能指标	(121)
　　　　　5.2.1  随机存取存储器	(121)
　　　　　5.2.2  只读存储器	(128)
　　　　　5.2.3  存储器芯片的性能指标	(132)
   5.3  存储系统的层次结构	(133)
　　　　　5.3.1  存储系统的分层管理	(134)
　　　　　5.3.2  虚拟存储器与地址映射	(136)
　　　　　5.3.3  现代计算机的多层次存储体系结构	(139)
   5.4  主存储器设计技术	(142)
　　　　　5.4.1  存储芯片选型	(143)
　　　　　5.4.2  存储芯片的组织形式	(143)
　　　　　5.4.3  地址译码技术	(148)
　　　　　5.4.4  存储器接口设计	(152)
   习题	(154)
第6章  输入/输出接口	(157)
   6.1  输入/输出接口基础	(157)
　　　　　6.1.1  输入/输出接口的功能与结构	(157)
　　　　　6.1.2  输入/输出端口编址	(160)
   6.2  接口地址译码	(161)
   6.3  接口信息传输方式	(163)
　　　　　6.3.1  程序查询传输方式	(163)
　　　　　6.3.2  程序中断传输方式	(165)
　　　　　6.3.3  直接存储器访问(DMA)传输方式	(172)
　　　　　6.3.4  通道传输方式	(175)
   6.4  并行接口	(176)
　　　　　6.4.1  无联络信号的并行接口	(176)
　　　　　6.4.2  带联络信号的并行接口	(180)
　　　　　6.4.3  可编程并行接口	(181)
   6.5  串行接口	(185)
　　　　　6.5.1  同步串行接口	(185)
　　　　　6.5.2  异步串行接口	(188)
   习题	(190)
第7章  ARM微处理器编程模型	(192)
   7.1  ARM内核体系结构	(192)
   7.2  ARM编程模型	(195)
　　　　　7.2.1  ARM微处理器工作状态	(195)
　　　　　7.2.2  ARM微处理器工作模式	(195)
　　　　　7.2.3  寄存器组织	(196)
　　　　　7.2.4  数据类型和存储格式	(200)
　　　　　7.2.5  异常	(200)
   习题	(204)
第8章  ARM汇编指令	(205)
   8.1  ARM指令格式	(205)
　　　　　8.1.1  ARM指令的一般编码格式	(205)
　　　　　8.1.2  ARM指令的条件码域	(206)
　　　　　8.1.3  ARM指令的第二源操作数	(207)
   8.2  ARM寻址方式	(209)
　　　　　8.2.1  数据处理类操作数寻址方式	(209)
　　　　　8.2.2  内存操作数寻址方式	(210)
   8.3  ARM指令集	(213)
　　　　　8.3.1  数据处理指令	(214)
　　　　　8.3.2  转移指令	(223)
　　　　　8.3.3  程序状态寄存器访问指令	(226)
　　　　　8.3.4  加载/存储指令	(227)
　　　　　8.3.5  异常产生指令	(234)
　　　　　8.3.6  伪指令	(235)
   习题	(236)
第9章  ARM程序设计	(237)
   9.1  ARM汇编语言程序设计	(237)
　　　　　9.1.1  ARM汇编语言程序结构	(237)
　　　　　9.1.2  ARM汇编语言程序设计实例	(238)
   9.2  ARM汇编语言与C/C++的混合编程	(245)
　　　　　9.2.1  C语言与汇编语言之间的函数调用	(246)
　　　　　9.2.2  C/C++语言内嵌汇编语言	(250)
   习题	(253)
第10章  基于ARM微处理器的嵌入式系统设计	(256)
   10.1  基于ARM内核的微处理器简介	(256)
   10.2  最小硬件系统	(257)
           10.2.1  电源模块	(258)
           10.2.2  时钟模块	(259)
           10.2.3  复位模块	(260)
           10.2.4  JTAG调试接口模块	(261)
           10.2.5  存储器模块	(261)
   10.3  人机交互接口	(264)
   10.4  通信接口	(266)
           10.4.1  UART接口	(266)
           10.4.2  其他通信接口	(272)
   10.5  嵌入式软件系统结构及工作流程	(272)
           10.5.1  嵌入式软件系统结构	(273)
           10.5.2  嵌入式软件系统的工作流程	(274)
   10.6  嵌入式软件系统的引导和加载	(274)
   10.7  嵌入式Linux	(276)
           10.7.1  嵌入式Linux结构	(276)
           10.7.2  Linux内核文件	(279)
   习题	(280)
第11章  基于ARM内核的SoC设计	(282)
   11.1  SoC概述	(282)
   11.2  SoC的组成结构	(283)
   11.3  SoC的片上总线	(284)
           11.3.1  片上总线的特点	(284)
           11.3.2  片上总线标准	(285)
   11.4  SoC的设计技术	(286)
           11.4.1  SoC设计中的关键技术	(286)
           11.4.2  SoC的系统级设计	(289)
           11.4.3  SoC的硬件设计流程	(290)
   11.5  基于ARM内核的SoC系统设计	(291)
           11.5.1  基于ARM内核的SoC系统结构	(291)
           11.5.2  基于ARM内核的SoC系统应用设计举例	(295)
   习题	(298)

前    言
随着互联网3.0时代的到来，以用户为导向的泛在通信与普适计算正在重新定义人类的生活方式与工作方式，基于物联网革命的新经济世界正在形成。“后移动时代”的物联网技术要求所有设备都拥有计算能力，从个人通信产品、可穿戴设备、智能家电等消费类电子产品到自动驾驶汽车、无人航天飞机等，各种各样的嵌入式终端设备都将成为更广泛计算产品的一部分，并通过创造丰富的真实世界触点来构建物联网数字业务的基础，进而为这个历史上最具颠覆性的时代带来无法估量的社会与经济价值。
用户需求的多样化、复杂化和个性化趋势，导致嵌入式电子产品的研发难度和研发成本日趋增大，而激烈的市场竞争又要求厂商能够以最快的速度将产品投放市场，并尽量降低研发成本。以嵌入式微处理器系统设计技术为基础的、更深层次的智能终端设计及应用技术，正面临着前所未有的挑战和机遇：一方面是底层实现技术与平台的快速发展与迭代，另一方面是上层应用场景与模式的不断创新，最终嵌入式系统底层的计算、存储与通信技术都可能为满足上层应用需求而逐渐颠覆现有的设计结构。以集成电路设计与软件设计为代表、早已成为业内核心标志的嵌入式计算机系统设计，是通信、雷达、计算机、自动控制和微电子等研究应用领域的工程师所应掌握的基本技术和必备技能。然而，与新经济形势下巨大的行业需求和市场潜力相比，我国高校嵌入式微处理器系统工程设计人才的培养水平仍然普遍存在着明显的不足。新技术形势下的信息技术行业对高校相关系列课程的教学质量又一次提出了全新的要求，如何面向未来产业界、打破学科隔离、着力培养具有复合能力的引领性跨学科工程创新人才，正是目前国内各高校普遍面临的且亟待解决的问题。
电子科技大学“微处理器与嵌入式系统”课程组自2009年起即在校内大规模开展了对“微机原理及应用技术”系列课程的改革。尽管存在诸多困难与不足，但改革后的课程教学仍受到了教师与学生的欢迎，获得广泛好评；编写的教材《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》已列入“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材；相关的慕课资源也已上线运行。在总结多年教学经验、教训及宝贵建议的基础上，课程组编写了本书第3版，保留了前版的主要知识主线及组织结构，精心修订并补充了产业界的最新发展技术，并将少部分内容调整成手机扫码阅读的形式，以便于这些内容的动态更新。为便于读者尽快掌握嵌入式微处理器系统的主流工程设计方法和核心技术，提升工程素质和设计能力，教材强调了基本设计原理与先进工程理念的结合，其主要特点如下。
(1)加强了微处理器系统的组成原理和系统结构等基础理论
计算机系统结构与组织理论是设计实现计算机系统的基石。无论通用计算机系统还是嵌入式计算机系统，无论采用哪种CPU芯片，其组成原理与系统结构本质上都是非常类似的。只有具备了这些基础知识才能够真正理解计算机的行为原理，真正做到举一反三。
 
(2)深入探讨了微处理器的体系结构、指令系统等关键核心技术
从逻辑电路、ARM内核和IP设计的层次，对微处理器的体系结构、指令系统及其特性进行较深入的研究和讨论，深入探讨了微处理器系统的硬件与软件两者之间的相互影响，重点揭示了微处理器系统中软件指令和硬件电路之间的接口联系及综合设计工程方法。
(3)选用基于ARM内核的嵌入式微处理器系统
对基于ARM内核的微处理器软硬件系统的结构及组成进行了较深入的介绍，通过对ARM微处理器的学习和理解，以利读者今后更容易理解和掌握PowerPC、MIPS和8051等其他CPU内核的工作原理和设计技术，从而理解更先进的微处理器体系结构，了解嵌入式系统的主流工程设计技术和理念，以便写出直接与底层硬件交互的高效代码。
(4)强调嵌入式操作系统的系统结构、系统移植、引导和加载等核心技术
鉴于操作系统在嵌入式系统中的应用日益广泛，重点讲述了嵌入式软件系统结构及工作流程、ARM嵌入式软件系统的引导和加载、嵌入式Linux内核的移植等核心软件设计技术，有助于读者建立完整的计算机系统结构，透彻地理解嵌入式系统的工作原理，可显著增强读者的工程设计能力和素质。
(5)引入嵌入式系统的软硬件协同设计及基于ARM内核的SoC设计技术
为了引入嵌入式系统的软硬件协同设计及基于ARM内核的SoC设计技术，读者不仅要会使用现成的集成电路芯片搭建应用系统，还要了解如何使用现有IP核或自行设计IP核构建面向应用的片上系统，使读者尽快掌握电子系统设计工程师必备的技术和工程设计方法。通过实验课这一平台，为读者进一步掌握SoC系统设计技术提供了基本的知识体系结构。
全书共11章，重点介绍了ARM内核及其软硬件系统的结构、组成与应用，同时从逻辑电路和ARM内核的设计层次，剖析了嵌入式微处理器系统的控制器、数据通路等主要功能部件的工作原理和内部结构。其中第1章简述了微处理器及嵌入式系统设计领域的最新技术现状与发展趋势；第2章介绍了计算机体系结构的演变及现代计算机系统的组织特点，并基于简单模型机介绍了计算机系统的基本工作原理；第3章介绍了微处理器的组成原理以及控制器、数据通路等主要核心功能部件的工程设计方法；第4章介绍了计算机系统中各部件之间的总线数据传输技术和常用总线标准；第5章介绍了计算机系统中存储器的分层构建策略及存储器模块的硬件设计技术；第6章介绍了计算机系统中输入/输出接口的概念，以及并行和串行接口技术原理；第7章介绍了ARM内核的体系结构与编程模型；第8章介绍了ARM汇编指令的格式、寻址方式和功能；第9章介绍了ARM汇编语言程序设计技术，以及“C语言+汇编语言”的混合编程技术；第10章介绍了基于ARM微处理器的硬件和软件系统总体设计流程与方法；第11章简要介绍了基于ARM内核的SoC设计基础，以及嵌入式系统的软硬件协同设计方法。
本书的作者都是长期从事微机系统原理、嵌入式系统、ASIC/SoC设计及通信系统设计的教学和科研的教师，在教学和科研实践中积累了丰富的工程设计经验，完成了大量国内及国际合作的嵌入式系统、ASIC/SoC等研发项目，取得了很好的社会效益和经济效益。书中的技术专题都力争与实际应用有机结合，所举的例子大多数是完整的、可操作的，甚至有的直接来自科研实践。本书可作为高等院校通信工程、电子信息工程、自动控制、集成电路等相关专业本科生的微机原理、嵌入式系统、计算机系统设计等课程的教材，对相关研发人员也颇有裨益。
本书得到了电子科技大学教务处，以及ARM、Xilinx、TI和ST等公司的大力支持。本书参考了大量著作及文献，得到了国内外许多著名专家和教授无私的建议、帮助和支持。电子科技大学“微处理器与嵌入式系统”课程组的黄乐天、刘民岷、胡哲峰、吴献钢、肖寅东、赵贻玖及其他所有教师，电子科技大学“物联网智能芯片与系统”科研团队的所有教师及部分研究生，安谋科技(中国)有限公司的陈炜博士，南京集成电路产业服务中心的陈俊彦先生，以及依元素科技有限公司技术总监秦岭先生和销售总监夏良波先生，在本书的编写及慕课资源的建设过程中也倾注和付出了很多心血，在此一并表示衷心感谢。作者希望本书能对我国高校和相关行业的微型计算机系统原理、嵌入式系统设计的教学和科研尽些微薄之力。虽然已更新到第3版，但本书还有许多不尽人意之处，我们盼望着使用本书的教师和读者提出宝贵的意见，也热切地期待得到同行的建议和指教。
为方便教师和读者，本书有配套的教学课件与教学实验装置，感兴趣的教师可登录华信教育资源网(http://www.hxedu.com.cn)，注册之后可免费下载本书的教学课件。扫描书中二维码可获取本书参考资料和附录等文件，采用这种方式也便于我们随时更新一些资源。相关慕课资源可参见中国大学MOOC(爱课程)网站(https://www.icourse163.org)，扫描下列或本书封底二维码均可了解该课程内容。


作  者
2020年7月于四川成都

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微处理器系统结构与嵌入式系统设计（第3版）