彻底研究 ARM Cortex A9 嵌入式系统设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 性能优化
• 系统集成
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本书分为基础篇与进阶篇两部分，基础篇中介绍了Zynq器件、ZedBoard，并配有简单入门实验，同时针对软体发展人员增设了FPGA硬体加速等内容。在进阶篇中介绍了利用Zynq进行软硬体协同设计，同时对处理器与可程式设计逻辑介面等技术进行了详细剖析。

　　本书提供了20个详细的设计案例，涵盖了硬体板卡、FPGA逻辑、Linux驱动、Linux作业系统、上层应用、软硬体协同设计等Zynq开发中可能遇到的各个方面的知识，并在最后将前述独立案例整合为4个系统案例。本书重点突出实战，以案例为指导，配合介绍相关参考文档，协助读者尽快掌握在Zynq上进行各项设计的方法。

　　本书可作为Zynq初学者、软硬体协同设计开发人员的参考用书，亦可作为大专院校嵌入式系统设计、片上系统设计、可程式设计逻辑器件等相关专业的教师和学生的参考用书。

　　书附光碟内容：范例档案

本书特点

　　本书循序渐进的由基础知识到实战案例，向读者阐述了如何利用Zynq平台进行嵌入式系统以及软硬体协同设计的开发。
 
　　提供完整的工程文件和程式码，让您学习更有效率。

探索现代计算核心：深度解析基于RISC-V架构的嵌入式系统开发实践 图书名称：探索现代计算核心：深度解析基于RISC-V架构的嵌入式系统开发实践 图书简介 在当今快速迭代的电子与信息技术领域，对计算核心的理解与掌握已成为工程师和研究人员的核心竞争力。本书《探索现代计算核心：深度解析基于RISC-V架构的嵌入式系统开发实践》并非聚焦于某一特定商业指令集（如ARM），而是将视角投向了代表未来趋势的、开放且高度可定制的RISC-V架构。本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的嵌入式系统设计蓝图，特别侧重于如何利用RISC-V这一革命性的开源指令集架构，构建高性能、低功耗、高灵活性的现代嵌入式解决方案。 第一部分：RISC-V指令集架构的基石与生态 本部分将奠定读者对RISC-V（精简指令集计算机——第五版）的系统认知。我们将从指令集设计的哲学理念出发，详细剖析其模块化、可扩展和开源的本质。 第一章：RISC-V架构的起源、设计哲学与标准化进程 本章将追溯RISC-V的诞生背景，对比其与传统复杂指令集计算机（CISC）及其他精简指令集（如MIPS、早期ARMv7/v8）的设计差异。重点分析RV32I（32位基础整数指令集）和RV64I（64位基础整数指令集）的构成，以及“I”、“M”、“A”、“F”、“D”、“C”等标准扩展模块（如乘法、原子操作、浮点运算、压缩指令）的组合机制。我们将深入探讨RISC-V的特权模式（User, Supervisor, Machine Mode）及其在操作系统和裸机环境下的重要性。同时，会概述RISC-V国际基金会（RISC-V International）的治理结构和关键的技术规范（Specifications）的演进路线图，为读者理解其生态的稳定性提供基础。 第二章：RISC-V工具链与软件生态的构建 成功的嵌入式开发离不开成熟的工具链支持。本章将详细介绍基于GCC/LLVM的RISC-V交叉编译环境的搭建过程，包括Binutils、GDB调试器以及Newlib/glibc库的适配性。我们将讲解如何配置特定的目标架构（Target Triple）以确保编译的正确性。此外，对关键的软件生态组件也将进行介绍，如基于RISC-V的引导加载程序（Bootloaders，如U-Boot的适配）和实时操作系统（RTOS，如FreeRTOS、Zephyr）对RISC-V特性的支持情况。读者将学习如何使用这些工具进行代码编译、链接脚本的优化以及初步的固件烧录流程。 第二部分：硬件平台设计与定制化实现 RISC-V最大的优势在于其可定制性。本部分将引导读者从硬件描述语言（HDL）层面理解和实现定制化的RISC-V核心，并探讨如何将其集成到实际的片上系统（SoC）中。 第三章：从RTL到FPGA：基于Chisel/Verilog的核选择与验证 本章将不再局限于使用现成的SoC，而是深入到CPU核心的底层设计。我们将选取一至两个主流的开源RISC-V处理器核（如PicoRV32, VexRiscv, 或Rocket Chip/BOOM的简化模型）进行对比分析。重点会放在理解处理器流水线（Pipeline）、缓存结构（Cache Hierarchy，如果适用）和中断控制器（PLIC/CLIC）的设计。读者将学习如何使用Chisel（一种Scala基础的硬件生成语言）或标准Verilog来观察和修改核心的指令解码和执行单元，从而理解指令集是如何被硬件映射的。随后，我们将介绍如何将这些核心部署到主流的FPGA平台（如Xilinx或Intel/Altera）上，进行功能验证和性能评估。 第四章：片上系统（SoC）集成与总线架构 一个完整的嵌入式系统需要处理器核心与各类外设的互联。本章聚焦于总线架构的选择与实践。我们将详细分析RISC-V生态中主流的片上互联标准，特别是AXI（Advanced eXtensible Interface）和TileLink协议（用于更复杂的片上网络）。读者将学习如何设计一个基础的SoC架构，包括集成内存控制器（DDR或SRAM）、通用异步收发传输器（UART）、定时器（CLINT/HPMs）以及通用的GPIO模块。本章将使用SystemVerilog/Verilog来描述这些组件，并演示如何使用IP-XACT或类似的描述方式来管理这些模块的互联和寄存器映射。 第五章：性能优化、功耗管理与硬件加速器的融合 RISC-V的扩展性允许在指令集层面引入定制指令以加速特定任务。本章将探讨如何进行系统级的性能调优。首先，分析流水线冲突、分支预测对实际执行时间的影响，并讲解如何使用性能计数器（Performance Monitoring Units, PMU）进行瓶颈分析。其次，深入功耗敏感型设计，讨论如何利用RISC-V的特权模式实现动态电压和频率调节（DVFS）的基础逻辑，以及如何管理空闲状态下的时钟门控。最后，本章将详细讲解定制指令集扩展（Custom Extensions）的引入流程，演示如何设计一个简单的硬件加速器（如一个自定义的加密或信号处理单元），并通过编码实现对该扩展指令的调用，从而在应用层面获得显著加速。 第三部分：底层软件与驱动程序开发 在硬件平台搭建完成后，本书转向了系统启动和驱动开发的实际操作，确保读者能够成功运行复杂的嵌入式软件。 第六章：引导加载、内存映射与裸机编程 本章从系统复位向量开始，系统性地讲解嵌入式启动流程。我们将分析Machine Mode下的初始化序列，包括如何设置堆栈、初始化内存控制器，并跳转到第一个C代码入口点。重点讲解RISC-V的内存管理单元（MMU，适用于操作系统或更复杂的应用）和物理内存保护单元（PMP，适用于安全和隔离）。读者将学习如何编写针对特定硬件平台（如基于FPGA的开发板）的PMP配置代码，并实践裸机环境下对GPIO和定时器的直接寄存器级编程。 第七章：中断处理、异常向量与实时调度 对于任何嵌入式系统，可靠的中断响应至关重要。本章将深入解析RISC-V的外部中断控制器（PLIC）和内部时钟/定时器中断（CLINT）的工作原理。我们将详细阐述中断服务程序（ISR）的编写规范，确保上下文的正确保存与恢复，避免竞争条件。此外，本章还将介绍RISC-V下的陷阱（Traps）和异常（Exceptions）机制，这是实现操作系统内核或安全沙箱的基础。最后，将通过一个使用FreeRTOS或Zephyr的示例，展示在RISC-V多核或单核环境下的任务调度和同步机制。 第八章：驱动程序设计与外设接口的抽象 现代嵌入式系统需要与各种复杂的外部设备（如SPI、I2C、PCIe等）通信。本章侧重于驱动程序的设计模式。我们将对比在裸机环境和操作系统环境下的驱动程序结构差异。重点案例分析包括SPI驱动的实现，涉及如何正确地管理片选信号、数据传输的同步与异步操作。对于更高级的接口，如PCIe或USB控制器（如果SoC包含），将讨论如何通过MMIO/PIO访问寄存器，并实现DMA（直接内存访问）机制，以卸载CPU的I/O负担。驱动代码将遵循清晰的分层结构，体现良好的可移植性和可维护性。 结语：面向未来的嵌入式系统架构 本书旨在为读者提供超越特定产品周期的核心技能——利用RISC-V的开放性进行深度定制和创新。掌握这些知识，读者将能够自信地应对未来异构计算、领域专用架构（DSA）以及安全隔离计算环境的挑战。 目标读者： 具有C/C++编程基础，熟悉数字逻辑设计，并希望深入理解下一代嵌入式处理器核心架构的电子工程师、计算机体系结构研究人员、高级嵌入式软件开发者和SoC设计师。

第1章　初试ZedBoard
第2章　Zynq平台介绍
第3章　ZedBoard开发环境
第4章　开发工具链
第5章　Zynq系统结构
第6章　系统级信号
第7章　Zynq启动与设定
第8章　针对软体工程师的逻辑设计
第9章　ZedBoard入门
第10章　以虚拟平台为基础的Zynq开发
第11章　PL和PS的介面技术详解
第12章　以Zynq为基础的软硬体协作设计
第13章　Zynq开发实战
第14章　系统级设计案例
第15章　如何取得资料和帮助
附录A　Xilinx开发套件版本14.1到14.3的主要升级变化
 

前言

平台及写作背景

　　作为全球最大的可程式化逻辑平台的供应商，Xilinx 已将可程式化逻辑技术带领到了All Programmable（全可程式化）的时代，其产品不仅有最新的28nm的7 系列（分为Artix7,Kintex7,Virtex7）FPGA 晶片，更有透过SSI（堆叠晶圆互连）技术实现的最大容量FPGA Virtex7-2000T，同时在FPGA 晶片内整合了高速AD 以及最高可达28.05Gb/s 的高速串列通讯埠等可程式化逻辑外的模组。对于应用者而言，除了以上制程的创新外，更具有划时代意义的是Xilinx 推出的Zynq-7000 AP SoC 晶片，其不仅解决了晶片制程实现上的困难，更解决了片内高性能处理器与高性能可程式化逻辑资料互动协定的困难。

　　Zynq-7000 是首款将高性能ARM Cortex A9 硬体核心与可程式化逻辑紧密整合到一起的元件。在Zynq 平台中，我们首先可以把可程式化逻辑看成是处理器外接装置中一个具有可重设定特点的「外接装置」，例如当序列埠或乙太网介面不够时、需要视频界面时，都可以用可程式化逻辑扩充；其次我们也可将其看成一个与处理器对等的主装置，其可主动完成与外部晶片的资料互动，例如主动进行视讯、网路资料前置处理。透过这样的结合，既发挥了处理器在处理复杂控制演算法、执行作业系统等方面的优势，又利用FPGA 在平行算法加速、可动态重设定的特点，实现了系统加速，增加了灵活性；同时以片内结合为基础的方案，减少了板面积，降低了耗电，也加快了硬体开发速度。结合Zynq 推出，Xilinx 不仅在先期将所有IP 核心介面切换到基于ARM AMBA4.0（AXI4）的标准，实现了逻辑IP 与Zynq 无缝移转，同时还推出了C2HDL 的高层综合工具AutoESL（目前已整合到最新的开发套件Vivado 中），这加快了已有演算法的硬体化过程，同时也使得软体工程师可以在Zynq 上独立完成软硬体协作设计。

　　针对这些新的技术和概念，读者不妨带着这样一些疑问阅读本书：现在有什么开发板可以直接用？ ARM+FPGA 这样的结构与板载ARM 处理器与FPGA 晶片的结合到底有哪些区别？ ARM 与FPGA 在一个晶片内到底是如何紧密配合的？互相之间资料互动的介面和方式是怎样的？通电之后ARM 和FPGA 是如何设定的？利用AutoESL 工具到底如何跟Zynq 结合？ Linux 作业系统与FPGA 又是如何结合的？这里的驱动如何写？在本书中，将陆续对这些问题进行解答。

　　从Zynq 平台提出伊始，全球各地的客户对这一平台都产生了浓厚的兴趣，Xilinx 也于2011 年年末正式发佈了Zynq 的晶片，在2012 年年初就已经有了第一块Zynq 开发板ZC702。到了2012 年6 月份，专为社区使用者以及科学研究、教学使用者订制的低价版本ZedBoard 板也正式面世。但是对一个全新的平台来说，可参考的资源相对缺乏。我们从2012 年7 月份开始在ZedBoard 板上进行设计时就已经明显感受到专案进度因缺少参考资源而受到的影响。而到了美信的DIY大赛时，更听到国内使用者对参考资料的迫切需求，尤其是对应的中文资料。

　　而2013 年1 月份採用ZedBoard 板作为主要平台的开放原始码硬体与嵌入式大赛—OpenHW12 也即将展开。

　　在这样的背景下，赛灵思大学计画部门决定以最快的速度对我们在这几个月中开发的、参与的、学习的案例进行整理，撰写出一本由浅入深、以案例为主的实战类别书籍，希望透过这本书能帮助大家尽快了解、熟悉并掌握Zynq 的开发。

　　阅读提示

　　本书分为基础篇和进阶篇两部分。

　　基础篇中主要介绍了ZedBoard 板、Zynq 元件、开发工具链、Zynq 的系统结构及其启动过程等基本的元件与电路板情况，同时考虑了软体工程师的知识结构。在第8 章中介绍了FPGA 的原理，以及硬体加速的原理，便于软体工程师了解FPGA。在第9 章中透过基础实验带领大家浅尝Zynq 的开发过程，并带领大家用ZedBoard 板架设出一个单板电脑系统。

　　进阶篇中，首先介绍了利用虚拟平台QEMU 进行软体开发的流程。在第11章中详细分析了Zynq 中处理器与硬体逻辑的连接关系。第12 章主要介绍了在Zynq 上利用AutoESL 进行软硬体协作设计的理念与过程。第13 章佔了全书四分之一的篇幅，介绍了使用Zynq 实现逻辑、驱动、作业系统、高画质视讯显示、OpenCV、网路摄影机等12 个应用案例，这是本书的精华之一。在第14 章，将13 章中提到的独立案例再融合成4 个系统案例，这4 个系统案例都会应用到前面章节的知识，以此帮助大家尽快掌握在Zynq 上进行系统级设计的方法。笔者在这些年支援客户的过程中, 常常会发现客户困扰于不知如何寻找到Xilinx 相关工具、IP 的参考文件、参考设计。因此本书第15 章中主要介绍了如何取得资料和帮助，重点介绍了Xilinx 新推出的DocNav 工具，希望能帮助初学者迅速找到Xilinx 资料。

　　在本书案例开发与写作的过程中，Xilinx 的工具已升级到了更高的14.3 版本，但是本书的部分案例是以14.1 版本为基础的。在切换工具版本的过程中，相关设计可能会略有差异，因此本书在附录中介绍了14.3 与14.1 工具版本的变化，便于大家快速移植设计。所以读者在使用本书案例前，请务必阅读一下本书的附录部分。
 

评分☆☆☆☆☆

我必須說，《徹底研究 ARM Cortex A9 嵌入式系統設計》這本書，簡直就是為我量身打造的！我目前正在一個需要高度客製化 ARM Cortex-A9 平台的新專案，對於如何從硬體層面進行精細調校，一直感到很困惑。市面上能找到的資料，大多是針對通用的開發板，或是停留在軟體應用的層面。但這本書，它真的深入到了核心的設計原理。它詳細解釋了 Cortex-A9 的架構，包括其複雜的處理管線、多級快取系統、以及如何處理中斷和例外。我特別喜歡書中關於功耗優化和性能調校的章節，作者提供了許多具體的策略和實踐建議，讓我學會如何在有限的資源下，最大化系統的運行效率。書中的圖表清晰明瞭，能夠幫助我快速掌握複雜的硬體概念。而且，作者還提供了許多關於周邊裝置整合的範例，從記憶體控制器到各種 I/O 介面，都進行了深入的探討。這對我來說，是解決實際問題的寶貴資源。我已經迫不及待地想將書中的知識應用到我的專案中，相信這本書一定能幫助我克服目前面臨的技術挑戰，並為專案的成功打下堅實的基礎。

评分☆☆☆☆☆

說實話，我一開始對《徹底研究 ARM Cortex A9 嵌入式系統設計》這本書抱持著有點懷疑的態度，畢竟「徹底研究」這四個字聽起來就很有壓力，而且我對 ARM 架構的了解也僅止於入門級。但是，當我翻開第一頁，我就被深深吸引住了。作者的寫作風格非常生動有趣，他並沒有使用太多艱澀難懂的專業術語，而是用一種循序漸進的方式，引導讀者一步一步地認識 Cortex-A9。書中有非常多讓我眼睛一亮的觀點，例如他在講解處理器性能優化時，不僅僅是列出幾個常見的技巧，而是深入分析了這些技巧背後的原理，以及在不同場景下的適用性。他還特別強調了嵌入式系統設計中，效能、功耗和成本之間的平衡，這是一個非常實際且重要的議題，但卻常常被忽略。書中提到的許多案例，都非常貼近我們在實際開發中會遇到的問題，像是如何有效地利用快取來提升效能，如何進行精確的時序控制，以及如何設計高效率的驅動程式。讓我印象深刻的是，作者對於除錯方法的講解，不僅涵蓋了常見的軟體除錯工具，還深入探討了硬體除錯技術，這對於我來說是一次全新的學習體驗。這本書的內容實在太豐富了，感覺就像是把一位經驗豐富的老師傅請到家裡，手把手地教你如何成為一個優秀的嵌入式系統設計師。

评分☆☆☆☆☆

老實說，在拿到《徹底研究 ARM Cortex A9 嵌入式系統設計》之前，我對 ARM Cortex-A9 的了解，大概就是知道它是一個很強大的處理器，但具體內部是怎麼運作的，卻一知半解。這本書的出現，簡直就像是給我打開了一扇新世界的大門！作者的敘述方式非常獨特，他能夠將複雜的硬體概念，用一種非常生動、甚至有點幽默的方式呈現出來。我在閱讀時，常常會因為一個巧妙的比喻而會心一笑，同時也讓原本枯燥的技術內容變得有趣起來。書中對於處理器流水線、分支預測、記憶體管理單元 (MMU) 等核心組件的講解，都非常到位。他不僅解釋了這些組件的功能，還深入探討了它們之間的相互作用，以及如何影響系統的整體性能。我尤其欣賞書中關於效能瓶頸分析和優化方法的論述，作者提供了許多實用的診斷技巧和程式碼優化建議，這對我提升開發效率非常有幫助。而且，書中對於實體層面的講解，像是時脈訊號的傳遞、電源管理策略等，也讓我有了一個更全面的認識。這本書不僅是一本技術手冊，更像是一位經驗豐富的導師，引導我在 ARM Cortex-A9 的世界裡，不斷探索和成長。

评分☆☆☆☆☆

哇，這本書《徹底研究 ARM Cortex A9 嵌入式系統設計》真的是我近期讀到最紮實、最實用的一本了！作為一個在嵌入式領域打滾多年的工程師，我一直都在尋找一本能夠深入剖析 ARM Cortex-A9 核心的設計細節，並且能提供實務應用案例的書籍。市面上很多書都流於表面，講講硬體架構就帶過了，不然就是只講軟體開發，對底層的硬體邏輯和設計權衡都含糊帶過。但這本真的不一樣！它從最基礎的指令集架構開始，一層一層剝開，深入探討了 Cortex-A9 的管線設計、分支預測、快取機制，甚至還講到了功耗管理和除錯機制。書裡面的圖解超級清楚，每一個概念都有對應的圖示，讓原本複雜的硬體原理變得易於理解。更讓我驚喜的是，書中還包含了許多實際的設計範例，從簡單的 LED 控制到較為複雜的週邊整合，都提供了詳細的程式碼和硬體配置說明。這對我來說太有幫助了，可以直接拿來參考，甚至應用到我的專案中。而且，作者在解釋一些關鍵概念時，會很巧妙地連結到實際的硬體限制和設計上的取捨，這讓我在閱讀時，不僅理解了「是什麼」，更理解了「為什麼」。總之，這本書的深度和廣度都超乎我的預期，絕對是 ARM Cortex-A9 開發者必備的參考書。

评分☆☆☆☆☆

這本《徹底研究 ARM Cortex A9 嵌入式系統設計》真的是一本讓我驚豔的寶藏！作為一個對嵌入式系統設計充滿熱情，但又常常被繁瑣的技術細節搞得頭昏腦漲的學習者，我一直在尋找一本能夠系統性地梳理 ARM Cortex-A9 知識結構的書籍。這本書的內容編排非常合理，從最基礎的架構介紹，逐步深入到更複雜的設計議題。作者的講解風格非常清晰，他善於運用類比和圖示，將抽象的原理具象化，讓我在閱讀的過程中，能夠非常順暢地理解每個概念。我特別喜歡書中關於硬體加速和低功耗設計的篇幅，這些都是在實際應用中非常關鍵的部分，而書中的論述既有理論深度，又不失實務指導意義。他詳細介紹了如何利用 Cortex-A9 的特性來實現高效能的影像處理、音訊解碼等任務，並且提供了相應的程式碼範例。此外，書中關於安全設計和韌體更新的討論，也讓我受益匪淺。這本書不僅讓我對 ARM Cortex-A9 有了更深入的理解，更重要的是，它啟發了我對嵌入式系統設計的更多思考，讓我意識到一個好的系統設計，需要兼顧效能、功耗、成本、安全等多方面的考量。我強烈推薦給所有對 ARM Cortex-A9 感興趣的開發者和學習者！