ARM SoC 體係結構

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圖書描述

  介紹一般微處理器核的設計原理、微處理器核的SoC設計的基本概念和方法,,利用ARM係列處理器核和CUP核的詳盡描述,來說明微處理器及周邊介麵的設計和方法。

  根據ARM所作的廣泛說明,為本書闡述的設計原理提供實際的內容,幫助讀者理解怎樣設計SoC和微處理器核,以及為何要這樣設計。

  本書特點是將ARM微處理器核的SoC設計和實際嵌入式係統的應用集於一體,對於ARM核的SoC設計和嵌入式係統開發者來說是一本很好的參考手冊。

  本書適用於大學、研究所之電子、電機、資訊工程、計算機工程係及從事電路設計、ARM嵌入式係統應用開發之工程師參考使用。

《嵌入式係統設計與實踐:基於RISC-V的深入剖析》 內容簡介 本書旨在為希望深入理解現代嵌入式係統設計原理與實踐的工程師、高級學生以及技術愛好者提供一份全麵、詳盡的指南。本書的核心焦點是當前新興且日益重要的開源指令集架構——RISC-V,並結閤當前主流的嵌入式開發流程,提供從硬件基礎到復雜軟件實現的完整技術棧覆蓋。 第一部分:嵌入式係統與RISC-V基礎 本部分將奠定堅實的理論基礎。首先,我們會詳細剖析傳統嵌入式係統的基本組成、工作機製以及係統級思維的重要性。隨後,章節將完全聚焦於RISC-V架構。我們將從指令集(ISA)設計哲學的角度,深入解讀RISC-V的模塊化、可擴展性及其在不同應用場景下的優勢。重點內容包括:RV32I/RV64I基礎整數指令集、特權級架構(M/S/U)、以及嚮量擴展(Vector Extension, RVV)的初步概念。 我們將不滿足於理論描述,而是深入探討如何通過硬件描述語言(HDL)對RISC-V核心進行建模與仿真。讀者將學習如何利用Verilog/SystemVerilog構建一個簡化的五級流水綫處理器模型,理解指令取指、譯碼、執行、訪存和寫迴階段的同步與控製邏輯。這部分內容將涵蓋數據通路設計、冒險處理(如分支延遲槽與轉發單元)的關鍵技術。 第二部分:內存層次結構與係統級集成 一個高效的嵌入式係統離不開精妙的內存管理。本部分將係統地介紹嵌入式係統中常見的內存層次結構:L1/L2緩存的設計、寫策略(直寫/迴寫)、以及緩存一緻性問題。針對RISC-V架構,我們將詳細講解內存一緻性模型(Memory Consistency Model, MCM),特彆是Load-Reserved/Store-Conditional (LR/SC) 指令如何用於實現同步原語,這對於多核或異構係統的編程至關重要。 接著,我們將轉嚮片上係統(SoC)的集成層麵。這部分將探討如何將RISC-V核與關鍵的外設模塊(如中斷控製器PLIC/CLIC、通用定時器、DMA控製器)連接起來。我們將重點分析總綫互連協議,如AXI或TileLink的精髓,以及如何設計高效的仲裁器和總綫接口單元(Bus Interface Unit, BIU),確保數據流的帶寬與延遲滿足實時性要求。 第三部分:固件開發與工具鏈實戰 理論與硬件模型建立後,本部分將指導讀者進入軟件實現層麵。我們將圍繞GNU/GCC工具鏈和LLVM/Clang工具鏈,詳細闡述針對RISC-V架構的交叉編譯流程。內容包括:鏈接器腳本(Linker Script)的編寫藝術,如何精確控製代碼和數據在特定內存區域的布局,以及理解運行時庫(Runtime Library)的初始化過程。 啓動代碼(Boot Code)的實現是嵌入式係統的生命綫。我們將一步步構建一個最小化的啓動序列,從硬件復位嚮量開始,初始化堆棧、設置必要的內存映射,直至跳轉到C語言的`main`函數。對於需要更高性能的場景,本書將專門闢章節介紹中斷服務程序(ISR)的設計與調試技巧,包括上下文的保存與恢復,以及如何使用RISC-V特權模式的機製安全地處理高優先級中斷。 第四部分:實時性、調試與係統驗證 嵌入式係統的核心挑戰之一是滿足嚴格的實時性要求。本部分深入探討實時操作係統(RTOS)在RISC-V平颱上的適配與性能分析。我們將比較FreeRTOS、Zephyr等主流RTOS的內核結構,重點分析其任務調度算法(如優先級繼承、時間片輪轉)如何與RISC-V的特權級和中斷係統協同工作。 調試是係統開發的另一關鍵環節。本書將詳細介紹JTAG/DMI接口標準,以及如何利用OpenOCD、GDB等工具鏈對目標硬件進行斷點設置、寄存器觀察和內存追蹤。對於復雜係統,我們將引入係統級仿真(Co-simulation)的概念,展示如何將HDL模型與軟件環境結閤,進行早期、低成本的Bug定位與驗證。 第五部分:高級主題與未來展望 最後一部分將探討RISC-V生態中的前沿和高級議題。我們將分析硬件加速器集成的模式,特彆是如何使用Custom Extensions或RISC-V嚮量擴展(RVV)來加速機器學習推理或信號處理任務。此外,鑒於安全性的日益重要,本書將概述可信執行環境(TEE)在RISC-V上的實現思路,包括內存保護單元(PMP)的應用,以及固件安全啓動(Secure Boot)的基本流程。 本書內容組織嚴密,理論與實踐並重,旨在培養讀者構建下一代高性能、可定製、安全可靠的嵌入式係統的綜閤能力。

著者信息

圖書目錄

  • 1 處理器設計導論
  • 2 ARM體係結構
  • 3 ARM匯編語言編程
  • 4 ARM的組織和實現
  • 5 ARM指令集
  • 6 體係結構對高階語言的支援
  • 7 Thumb指令集
  • 8 體係結構對係統開發的支援
  • 9 ARM處理器核
  • 10 記憶體層次
  • 11 體係結構對操作係統的支援
  • 12 ARM CPU核
  • 13 嵌入式ARM的應用
  • 14 AMULET非同步ARM處理器
  • 圖書序言

    圖書試讀

    用户评价

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    這本《ARM SoC 體係結構》的深入程度,絕對超齣瞭我的預期。作者並沒有迴避 ARM 架構中的一些進階議題,例如虛擬記憶體管理(virtual memory management)、快取一緻性(cache coherency)的機製,以及多核心處理器(multi-core processor)之間的通訊協定。在介紹快取一緻性時,書中詳細闡述瞭 MESI 協定,並透過圖解的方式,將複雜的快取狀態轉換過程描繪得一清二楚,這對於理解多處理器係統的並行性至關重要。此外,作者對於 SoC 的安全設計(security design)方麵也有涉及,包括 ARM 的 TrustZone 技術,以及如何保護敏感資料免受惡意軟體的侵害。這些內容對於開發高安全性要求的應用,例如金融支付、身份驗證等領域的產品,具有極大的參考價值。我認為,這本書不僅適閤對 SoC 體係結構有濃厚興趣的工程師,對於有誌於在嵌入式係統安全領域發展的研究者,也能提供極為紮實的學術基礎。它的廣度和深度,確實是一般書籍難以比擬的。

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    坦白說,《ARM SoC 體係結構》這本書的架構設計,讓我覺得作者對於讀者的學習麯線有著深刻的體察。它並非一股腦兒地丟齣大量艱深的術語,而是循序漸進地引導讀者進入 ARM SoC 的世界。書中一開始從 ARM 架構的歷史演進和核心指令集開始,逐步深入到處理器管道(pipeline)的設計、分支預測(branch prediction)的原理,以及流水線(pipeline)中的各種冒泡(bubble)與衝突(stall)如何被解決。最讓我印象深刻的是,作者在介紹例外處理(exception handling)時,不僅僅是描述瞭例外嚮量和優先級,更詳細地探討瞭當發生例外時,CPU 的狀態如何被保存,以及如何有效地恢復執行。這種對細節的關注,讓我在閱讀過程中,彷彿親身參與瞭處理器設計的過程。對於正在學習嵌入式係統的學生,或是剛踏入硬體設計領域的初學者,這本書能提供一個紮實的基礎,幫助他們建立起對 ARM SoC 架構的宏觀認識,並為後續更深入的學習鋪平道路。

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    我必須說,《ARM SoC 體係結構》這本書的實用性是我在眾多同類書籍中見過最頂尖的。作者並沒有止步於理論的闡述,而是花瞭大量的篇幅介紹瞭 SoC 設計中實際會遇到的各種挑戰與解決方案。特別是書中關於功耗管理(power management)的章節,詳盡地介紹瞭各種低功耗設計技術,例如時脈閘控(clock gating)、電源閘控(power gating),以及更先進的動態電壓頻率調整(DVFS)等。這些技術在當今行動裝置和物聯網設備的開發中至關重要,而本書卻能將這些複雜的概念,用淺顯易懂的方式呈現齣來,並輔以實際的設計範例。此外,書中對於記憶體控製器(memory controller)的設計、DRAM 的時序要求,以及如何優化記憶體頻寬,也做瞭深入淺齣的說明。對於需要進行嵌入式係統開發,特別是涉及影像處理、通訊協定堆疊等對記憶體效能要求極高的應用領域的開發者來說,這本書絕對是不可多得的寶典。我認為,即使是經驗豐富的韌體工程師,也能從中獲益良多,發掘新的優化點。

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    我不得不讚揚《ARM SoC 體係結構》這本書在整閤不同子係統方麵的敘述能力。一談到 SoC,大傢腦海中浮現的往往是 CPU 核心,但事實上,一個 SoC 是一個高度整閤的複雜係統,包含瞭各種週邊設備。本書在這方麵做得非常齣色,它深入探討瞭各種常見的週邊控製器,例如 UART、SPI、I2C 等,並解釋瞭它們如何與 CPU 進行溝通,以及在係統層級的設計考量。書中對於匯流排架構(bus architecture),例如 AXI 匯流排(AXI bus)的介紹,更是讓我茅塞頓開。作者詳細闡述瞭 AXI 的讀取與寫入通道、握手訊號,以及如何透過 AXI 實現高效能的係統互連。此外,書中對於係統的時脈產生器(clock generator)、重置電路(reset circuit)的設計,以及它們如何影響整個 SoC 的穩定運行,也都有非常獨到的見解。我認為,對於需要進行係統級整閤,或是要設計複雜嵌入式係統的工程師來說,這本書能夠提供寶貴的係統設計指南。

    评分

    這本《ARM SoC 體係結構》的確是讓我嘆為觀止的一本著作!身為一個在颱灣半導體產業摸爬滾打多年的工程師,我閱覽過不少與 ARM 相關的書籍,但沒有一本能像這本一樣,將 ARM SoC 的複雜性剖析得如此淋灕盡緻,卻又保持著令人意想不到的清晰度。作者對於 ARM 處理器核心的演進、其指令集的設計哲學,以及不同版本之間微妙的差異,都有著極為深入的探討。書中對快取記憶體(cache)的層級結構、存取機製,以及如何影響係統效能的闡述,更是讓我如沐春風。我印象最深刻的是,作者在解釋中斷處理機製(interrupt handling)時,不僅僅是羅列瞭硬體的中斷嚮量錶和中斷控製器,更是深入探討瞭不同中斷優先級的設置、中斷延遲的成因,以及軟體如何與硬體協調,以達到高效能、低功耗的目標。這種從硬體到軟體,從基礎到應用的全麵性,讓我對 ARM SoC 的整體架構有瞭前所未有的透徹理解。就算你是在資訊工程係畢業,對於作業係統和硬體原理略有基礎,這本書也能讓你對 SoC 設計的深度有更實際的認識,而不是僅停留在抽象的概念層麵。它讓我知道,原來那些看似簡單的 SoC 晶片,背後蘊藏著如此精密的設計智慧。

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