ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設計與優(yōu)化

　　【內容提要】本書從軟件設計的角度，全面、系統(tǒng)地介紹了ARM處理器的基本體系結構和軟件設計與優(yōu)化方法。內容包括：ARM處理器基礎；ARM/Thumb指令集；C語言與匯編語言程序的設計與優(yōu)化；基本運算、操作的優(yōu)化；基于ARM的DSP；異常與中斷處理；固件與嵌入式OS；cache與存儲器管理；ARMv6體系結構的特點等。全書內容完整，針對各種不同的ARM內核系統(tǒng)結構都有詳盡論述，并有大量的例子和源代碼。附錄給出了完整的ARMv4/v5/Thumb指令的功能、編碼、周期定時以及匯編參考。本書適于從事ARM嵌入式系統(tǒng)教學與研發(fā)，或想把其它嵌入式平臺的軟件移植到ARM平臺上去的專業(yè)技術人員使用，要求對ARM處理器有一定的了解，并有C語言和匯編語言基礎。若在編譯原理、操作系統(tǒng)、數字信號處理、計算機體系結構等方面有一定的基礎，則效果會更好。本書也可作為嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向的本科生和研究生相關課程的教材或教學參考書?！咀髡吆喗椤緼ndrew N.Sloss于1992年獲得Herefordshire大學（英國）計算機科學學士學位，英國計算機協(xié)會認證注冊工程師（C.Eng，MBCS）。他已在計算機行業(yè)工作了16年，從1987年開始參與有關ARM處理器的研發(fā)，在ARM處理器上開發(fā)了眾多領域的應用項目，積累了豐富的經驗。他為Emerald出版集團（英國）設計了首個能夠在ARM2和ARM3處理器上運行的針對中文和埃及象形文字的編輯系統(tǒng)。他在ARM公司工作了6個多，目前是ARM在美國加州Los Gatos的技術銷售工程師，負責為開發(fā)新產品的公司提供建議和支持?！灸夸洝康?章 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)1.1 RISC設計思想1.2 ARM設計思想1.3 嵌入式系統(tǒng)的硬件1.3.1 ARM總線技術1.3.2 AMBA總線協(xié)議1.3.3 存儲器1.3.4 外設1.4 嵌入式系統(tǒng)的軟件1.4.1 初始化（啟動）代碼1.4.2 操作系統(tǒng)1.4.3 應用程序1.5 總結第2章 ARM處理器基礎2.1 寄存器2.2 當前程序狀態(tài)寄存器2.2.1 處理器模式2.2.2 分組寄存器2.2.3 狀態(tài)和指令集2.2.4 中斷屏蔽2.2.5 條件標志2.2.6 條件執(zhí)行2.3 流水線2.4 異常、中斷及向量表2.5 內核擴展2.5.1 cache和緊耦合存儲器2.5.2 存儲管理2.5.3 協(xié)處理器2.6 體系結構的不同版本2.6.1 命名規(guī)則2.6.2 體系結構的發(fā)展2.7 ARM處理器系列2.7.1 ARM7系列2.7.2 ARM9系列2.7.3 ARM10系列2.7.4 ARM11系列2.7.5 專用處理器2.8 總結第3章 ARM指令集3.1 數據處理指令3.1.1 MOVE指令3.1.2 桶形移位器3.1.3 算術指令3.1.4 算術指令使用桶形移位器3.1.5 邏輯指令3.1.6 比較指令3.1.7 乘法指令3.2 分支指令3.3 loadstore指令3.3.1 單寄存器傳送指令3.3.2 單寄存器loadstore指令的尋址方式3.3.3 多寄存器傳送指令3.3.4 交換指令3.4 軟件中斷指令3.5 程序狀態(tài)寄存器指令3.5.1 協(xié)處理器指令3.5.2 協(xié)處理器15（CP15）指令語法3.6 常量的裝載3.7 ARMv5E擴展3.7.1 零計數指令3.7.2 飽和算術指令3.7.3 ARMv5E乘法指令3.8 條件執(zhí)行3.9 總結第4章 Thumb指令集4.1 Thumb寄存器的使用4.2 ARM-Thumb交互4.3 其它分支指令4.4 數據處理指令4.5 單寄存器load-store指令4.6 多寄存器load-store指令4.7 堆棧指令4.8 軟件中斷指令4.9 總結第5章 高效的C編程5.1 C編譯器及其優(yōu)化概述5.2 基本的C數據類型5.2.1 局部變量類型5.2.2 函數參數類型5.2.3 有符號數與無符號數5.3 C循環(huán)結構5.3.1 固定次數的循環(huán)5.3.2 不定次數的循環(huán)5.3.3 循環(huán)展開5.4 寄存器分配5.5 函數調用5.6 指針別名5.7 結構體安排5.8 位域5.9 邊界不對齊數據和字節(jié)排列方式（大/小端）5.10 除法5.10.1 帶余數的無符號重復除法5.10.2 把除轉換為乘5.10.3 除數是常數的無符號除法5.10.4 除數是常數的有符號除法5.11 浮點運算5.12 內聯(lián)函數和內嵌匯編5.13 移植問題5.14 總結第6章 ARM匯編與優(yōu)化6.1 編寫匯編代碼6.2 性能分析和周期計數6.3 指令調整6.4 寄存器分配6.4.1 分配變量給寄存器6.4.2 使用超過14個的局部變量6.4.3 最大限度地使用寄存器6.5 條件執(zhí)行6.6 循環(huán)結構6.6.1 減計數循環(huán)6.6.2 展開計數循環(huán)6.6.3 多層嵌套循環(huán)6.6.4 其它計數循環(huán)6.7 位操作6.7.1 固定寬度的位域打包和解包6.7.2 可變寬度編碼的位流打包6.7.3 可變寬度編碼的位流解包6.8 高效的switch6.8.1 在范圍0≤x 6.8.2 基于通用變量x的switch6.9 邊界不對齊數據的處理6.10 總結第7章 基本運算優(yōu)化7.1 雙精度整數乘法7.1.1 長整型乘法7.1.2 128位結果的無符號64位乘法7.1.3 128位結果的有符號64位整數乘法7.2 整數規(guī)格化和前導0計數7.2.1 ARMv5及以上體系結構的整數規(guī)格化7.2.2 在ARMv4體系結構上的規(guī)格化7.2.3 后綴0計數7.3 除法7.3.1 通過試探減法實現無符號數除法7.3.2 無符號整數的NewtonRaphson除法7.3.3 無符號小數NewtonRaphson除法7.3.4 有符號數除法7.4 平方根7.4.1 通過試探減法計算平方根7.4.2 使用NewtonRaphson迭代計算平方根7.5 超越函數：log，exp，sin，cos7.5.1 以2為底的對數運算7.5.2 2的乘冪7.5.3 三角函數7.6 字節(jié)順序反轉和位操作7.6.1 字節(jié)順序反轉7.6.2 位變換7.6.3‘1’位計數7.7 飽和及舍入運算7.7.1 飽和32位數到16位7.7.2 飽和左移7.7.3 舍入右移7.7.4 飽和的32位加減法7.7.5 飽和絕對值7.8 隨機數產生7.9 總結第8章 數字信號處理8.1 表示一個數字信號8.1.1 選擇一種表示方法8.1.2 操作以定點格式存儲的值8.1.3 定點信號的加法和減法8.1.4 定點信號的乘法8.1.5 定點信號的除法8.1.6 定點信號的平方根8.1.7 小結：數字信號的表示8.2 基于ARM的DSP介紹8.2.1 ARM7TDMI的DSP8.2.2 ARM9TDMI的DSP8.2.3 StrongARM的DSP8.2.4 ARM9E的DSP8.2.5 ARM10E的DSP8.2.6 Intel Xscale的DSP8.3 FIR濾波器8.4 IIR濾波8.5 離散傅里葉變換8.6 總結第9章 異常和中斷處理9.1 異常處理9.1.1 ARM處理器模式及異常9.1.2 向量表9.1.3 異常優(yōu)先級9.1.4 鏈接寄存器偏移9.2 中斷9.2.1 分配中斷9.2.2 中斷延遲9.2.3 IRQ與FIQ異常9.2.4 基本的中斷堆棧設計與實現9.3 中斷處理方法9.3.1 非嵌套中斷處理9.3.2 嵌套中斷處理9.3.3 可重入中斷處理9.3.4 優(yōu)先級簡單中斷處理9.3.5 優(yōu)先級標準中斷處理9.3.6 優(yōu)先級直接中斷處理9.3.7 優(yōu)先級分組中斷處理9.3.8 基于VIC PL190的中斷服務例程9.4 總結第10章 固件10.1 固件和引導裝載程序10.1.1 ARM Firmware Suite10.1.2 Red Hat Redboot10.2 例子：Sandstone10.2.1 Sandstone的目錄結構10.2.2 Sandstone的代碼結構10.3 總結第11章 嵌入式操作系統(tǒng)11.1 基本模塊11.2 實例：簡單小型操作系統(tǒng)SLOS11.2.1 SLOS目錄結構11.2.2 初始化11.2.3 存儲模型11.2.4 中斷和異常處理11.2.5 調度程序11.2.6 上下文切換11.2.7 設備驅動程序框架11.3 總結第12章 高速緩沖存儲器cache12.1 存儲層次和cache12.2 cache結構12.2.1 cache存儲器的基本結構12.2.2 cache控制器的基本操作12.2.3 cache與主存的關系12.2.4 組相聯(lián)12.2.5 寫緩沖器12.2.6 cache效率的衡量12.3 cache策略12.3.1 寫策略——直寫法或回寫法12.3.2 cache行替換策略12.3.3 cache失效時的分配策略12.4 協(xié)處理器15與cache12.5 清除和清理cache12.5.1 清除cache12.5.2 清理cache12.5.3 清理Dcache12.5.4 使用路和組索引尋址清理D-cache12.5.5 使用test-clean命令清理D-cache12.5.6 在Intel XScale SA110和Intel StrongARM內核中清理D-cache12.5.7 清理和清除部分cache12.6 cache鎖定12.6.1 在cache中鎖定代碼和數據12.6.2 通過增加路索引來鎖定cache12.6.3 使用鎖定位鎖定cache12.6.4 在Intel XScale SA110中鎖定cache行12.7 cache與軟件性能12.8 總結第13章 存儲器保護單元MPU13.1 受保護的區(qū)域13.1.1 重疊區(qū)域13.1.2 背景區(qū)域13.2 初始化MPU，cache和寫緩沖器13.2.1 定義區(qū)域的大小和位置13.2.2 訪問權限13.2.3 設置區(qū)域的cache和寫緩沖器屬性13.2.4 使能區(qū)域和MPU13.3 MPU系統(tǒng)示例13.3.1 系統(tǒng)需求13.3.2 使用存儲器映射分配區(qū)域13.3.3 初始化MPU13.3.4 初始化和配置區(qū)域13.3.5 完成初始化MPU13.3.6 受保護系統(tǒng)的上下文切換13.3.7 mpuSLOS13.4 總結第14章 存儲管理單元14.1 從MPU到MMU14.2 虛存如何工作14.2.1 使用頁定義區(qū)域14.2.2 多任務和MMU14.2.3 虛存系統(tǒng)的存儲器組織14.3 ARM MMU的詳情14.4 頁表14.4.1 一級頁表項14.4.2 L1轉換表基地址14.4.3 二級頁表項14.4.4 為嵌入式系統(tǒng)選擇合適的頁大小14.5 轉換旁路緩沖器14.5.1 單步頁表搜索14.5.2 2步頁表搜索14.5.3 TLB操作14.5.4 TLB鎖定14.6 域和存儲器訪問權限14.7 cache和寫緩沖器14.8 協(xié)處理器CP15和MMU配置14.9 快速上下文切換擴展14.9.1 FCSE如何使用頁表和域14.9.2 使用FCSE的提示14.10 示例：一個簡單的虛擬存儲系統(tǒng)14.10.1 第1步：定義固定的系統(tǒng)軟件區(qū)域14.10.2 第2步：為每個任務定義虛存映射14.10.3 第3步：在物理存儲器中定位區(qū)域14.10.4 第4步：定義和定位頁表14.10.5 第5步：定義頁表和區(qū)域數據結構14.10.6 第6步：初始化MMU、Cache和寫緩沖器14.10.7 第7步：建立上下文切換程序14.11 MMUSLOS示例14.12 總結第15章 ARM體系結構的發(fā)展15.1 ARMv6對高級DSP和SIMD的支持15.1.1 SIMD算法操作15.1.2 打包指令15.1.3 復數運算支持15.1.4 飽和指令15.1.5 絕對差值求和指令15.1.6 雙16位乘法指令15.1.7 高位字乘法15.1.8 密碼算法乘法擴展15.2 ARMv6增加的系統(tǒng)和多處理器支持15.2.1 混合大小端支持15.2.2 異常處理15.2.3 多處理同步原語（Multiprocessing Synchronization Primitives）15.3 ARMv6的實現15.4 ARMv6之后的未來技術15.4.1 TrustZone15.4.2 Thumb-215.5 總結附錄A ARM和Thumb匯編指令A.1 如何使用這篇附錄A.2 語法A.2.1 可選表達式A.2.2 寄存器A.2.3 立即數 A.2.4 條件和標志A.2.5 移位操作A.3 按字母順序列出ARM和Thumb指令A.4 ARM匯編速查A.4.1 ARM匯編變量A.4.2 ARM匯編標注A.4.3 ARM匯編表達式A.4.4 ARM匯編保留字A.5 GNU匯編快速查詢附錄 BARM和Thumb指令編碼B.1 ARM指令集編碼B.2 Thumb指令集編碼B.3 程序狀態(tài)寄存器附錄C 處理器與體系結構C.1 ARM命名規(guī)則C.2 內核與體系結構附錄D 指令周期定時D.1指令周期定時表的使用D.2 ARM7TDMI指令周期定時D.3 ARM9TDMI指令周期定時D.4 StrongARM1 指令周期定時D.5 ARM9E指令周期定時D.6 ARM10E指令周期定時D.7 Intel XScale指令周期定時D.8 ARM11指令周期定時附錄E 建議的參考讀物E.1 ARM參考E.2 算法參考E.3 存儲器管理與cache體系結構（硬件綜述與參考）E.4 操作系統(tǒng)參考

　　Andrew N.Sloss于1992年獲得Herefordshire大學（英國）計算機科學學士學位，英國計算機協(xié)會認證注冊工程師（C.Eng，MBCS）。他已在計算機行業(yè)工作了16年，從1987年開始參與有關ARM處理器的研發(fā)，在ARM處理器上開發(fā)了眾多領域的應用項目，積累了豐富的經驗。他為Emerald出版集團（英國）設計了首個能夠在ARM2和ARM3處理器上運行的針對中文和埃及象形文字的編輯系統(tǒng)。他在ARM公司工作了6個多，目前是ARM在美國加州Los Gatos的技術銷售工程師，負責為開發(fā)新產品的公司提供建議和支持。