第4版前言准备本书第4版的过程使我意识到我的年龄有多大。在1999年年底，我完成了第1版的最终草稿。从那时起，嵌入式计算技术发展迅猛，但是核心原理依然基本保持不变。我对整本书进行了修改：整理问题，修改文稿，对某些章节重新排序以改进思路，并删除了一些不重要的内容。 本书在两方面做出了巨大改动。第一，新增了物联网（IoT）这一章；第二，将安全性贯穿全书。自第3版出版以来，IoT就已作为一个重要主题出现，但是它的实现依赖于现存的技术和知识。在第4版中，新的IoT章节综述了几个用于IoT应用的无线网络，也给出了一些IoT系统组织的模型。安全性对于嵌入式系统一直都很重要，虽然本书第1版就已讨论过医疗设备的安全性，但是一系列事件又突出了这一主题的关键特性。 在前几版中，一些高级的知识点都放在第8章，包括多处理器片上系统和网络嵌入式系统等。第4版将这些内容扩展，并分为三章：第8章涵盖OSI和网络协议，以及IoT特定主题的知识；第9章探讨汽车环境中的网络嵌入式系统，并涵盖安全性方面的几个例子；第10章讲述多处理器片上系统及其应用。 和前几版一样，在本书网站http://www.marilynwolf.us可以找到所有相关内容。一些外部Web资源的链接也在该网站上。此外，我的新博客http://embeddedcps.blogspot.com/提供了一些嵌入式计算人员感兴趣的话题。 我要感谢编辑Nate McFadden给予的帮助和指导。当然，本书中的任何问题都是我的责任。 Marilyn Wolf第3版前言本书第3版反映了我对嵌入式计算的深入思考以及对本书读者的若干建议，其中一个重要的目标是扩大嵌入式计算应用的范围。学习有关数码相机和汽车之类的主题需要付出很多努力。我希望本书可以为这些系统中直接影响嵌入式计算设计者决策的部分提供一些有用的见解。我也扩大了示例处理器的范围，包括尖端的处理器，如TI C64x和高级ARM扩展（advanced ARM extension），同时还包括PIC16F，并通过它描述小型RISC嵌入式处理器的特性。最后重新组织了网络和多处理器章节，使这些紧密相关的主题看起来更统一。读者可以在课程网站http://www.marilynwolf.us寻找附加的材料，这个网站包含了上面所说的所有内容，还有实验样例以及获取附加信息的提示。 我要感谢Nate McFadden、Todd Green和Andre Cuello的耐心编辑以及在本书修订过程中对我的关心。我还要感谢匿名评论者和科罗拉多大学的Andrew Pleszkun教授对本书草稿的中肯建议。特别感谢David Anderson、Phil Koopman和Bruce Jacob帮助我理解了一些内容。同样要感谢2011年的亚特兰大“末日暴雪”给了我大量不受打扰的写作时间。 最重要的是，这是我感谢父亲的最好时机。他教会我如何工作：不仅仅是教会我怎样做具体的事情，更重要的是教会我如何处理问题，开拓思路，然后把它们转化为成果。一直以来，他教我如何体贴关心他人。感谢您，父亲。 Marilyn Wolf第2版前言相对2000年本书第1版出版的时候，如今嵌入式计算更为重要。更多的产品中使用了嵌入式处理器，从玩具到飞机都有应用。片上系统现在使用几百个CPU。手机朝着新的标准计算平台方向发展。就像2006年9月《IEEE Computer》杂志上我的专栏中所指出的那样，当今世界至少有50万嵌入式系统程序员，可能接近80万。 在这一版中，我尽力做了更新和补充。本书的一个主要改变是使用TI C55x DSP。我慎重地重写了关于实时调度的讨论。尝试将性能分析主题尽可能在更多的抽象层次上扩展。指出多处理器在甚至最平凡的嵌入式系统中的重要性，此版对硬/软件协同设计和多处理器也进行了更通用的介绍。 计算机教学领域的一个改变是，本教材成为越来越低年级的课本。过去用于研究生的教材现在用于高年级本科生；在可预见的未来，本书的部分内容将可作为大学二年级教材。我认为可以选取本书的部分内容去覆盖更先进和更基础的课程。一些高年级学生可能不需要前面章节的背景知识，这样可以把更多时间花在软件性能分析、调度和多处理器上。当开设介绍性课程时，软件性能分析可作为探索微处理器体系结构和软件体系结构的一个可选方案；这样的课程可以关注前几章的内容。 本书和我的其他书的新网站是http://www.waynewolf.us。在这个网站里，可以找到本书相关材料的概括、实验建议，还可找到关于嵌入式系统的更多信息的网站链接。 致谢感谢许多帮助我完成第2版的人。德州仪器的Cathy Wicks和Naser Salameh在理解C55x上给了我非常有价值的帮助。FreeRTOS.org的Richard Barry不仅慷慨地允许我引用其操作系统的源码，还帮我澄清代码的解释。本书的编辑是Morgan Kaufmann出版社的Chuck Glaser，他知道何时需要耐心，何时需要鼓励，何时需要诱导。当然，还要感谢Nancy和Alec耐心为我录入。本书的任何问题，不管是大是小，自然都是我个人的责任。 Marilyn Wolf第1版前言微处理器早已成为我们生活的一部分，然而，微处理器足够强大到能执行真正复杂的功能还是近几年的事。在摩尔定律的驱动下，微处理器飞速发展，同时促使嵌入式计算成为一门学科。在微处理器的早期阶段，所有组件相对较小也较简单，需要且期望把一些单独的指令和逻辑门集中在一起。今天，当系统包含了几千万个晶体管和数万行高级语言代码时，我们必须使用有助于处理复杂性的设计技术。 本书试图捕捉嵌入式计算这一新学科的某些基本原理和技术。嵌入式计算所面临的一些挑战在台式机计算世界中是众所周知的。例如，为从带流水线的高速缓存体系结构中获得最高性能，经常需要仔细分析程序轨迹。类似地，随着嵌入式系统的复杂性不断增加，在软件工程中针对特定复杂系统开发的技术变得十分重要。另外一个例子是设计多进程系统。对于台式机上使用的通用操作系统和嵌入式系统使用的实时操作系统，二者的需求是截然不同的。过去30年针对大型实时系统开发的实时技术如今已普遍应用于基于微处理器的嵌入式系统中。 嵌入式计算还面临一些新的挑战。一个较好的例子是功耗问题。在传统计算机系统中功耗已经不是一个主要考虑因素，但是对于用电池供电的嵌入式计算机，这是一个基本考虑因素，而且在功耗容量受重量、成本或噪声等限制的情况下是十分重要的。另外一个挑战是截止时限驱动的程序设计。嵌入式计算机常常对程序完成的期限做硬性限制，这种形式的限制在台式机世界里是罕见的。随着嵌入式处理器越来越快，高速缓存和其他CPU单元也使得执行时间越来越难以预测。然而，通过仔细分析和巧妙编程，即使面对高速缓存等不可预测的系统组件，我们也可以设计出可预测执行时间的嵌入式程序。 幸运的是，有许多工具可用来处理复杂嵌入式系统所面临的挑战：高级语言、程序性能分析工具、进程和实时操作系统，等等。但是理解这些工具如何协调地一起工作，这本身就是一项很复杂的任务。本书提供了一种自底向上的方法来理解嵌入式系统设计技术。通过先理解微处理器硬件和软件的基础知识，我们就能获得有助于创建复杂系统的强有力的抽象能力。 写给嵌入式系统专业人员本书不是一本用来理解某种特定微处理器的手册。为什么在这里呈现的技术你会感兴趣呢？有两个理由。第一，诸如高级语言编程和实时操作系统这样的技术对于构造实际的大型复杂嵌入式系统是非常重要的。生产会因为不能工作的错误系统设计而被弄得杂乱无章，系统之所以不能工作是因为它们的设计者试图从出现的问题中寻求解决方法，而不是从问题中走出来换个更大的视角研究问题。第二，用于构造嵌入式系统的组件是经常变化的，但其原理不变。一旦你掌握了创建复杂嵌入式系统所涉及的基本原理，就可以迅速地学习一种新的微处理器（或编程语言），并且把同样的基本原理用于新的组件。 写给教师传统的微处理器系统设计起源于20世纪70年代，当时微处理器的种类相对有限。传统课程强调定制硬件和软件来构建一个完整系统。因此，它只强调某一特定微处理器的特性，包括其指令系统、总线接口，等等。 本书采用更抽象的途径研究嵌入式系统。书中利用一切机会来讨论实际组件和应用，但本质上不是一本微处理器数据手册，因此它的论述方法初看起来是新奇的。本书不专注于某种特定类型的微处理器，而是试图研究更通用的例子，以得出更普遍适用的原理。我认为这种方法更有利于教学，而从长远角度来看对于学生也更有用。对于教学更有利是因为不必太过于依赖复杂的实验室装置，而只需花费一些时间在纸上练习，进行模拟和编程练习。对于学生更有用是因为他们在这一领域最终工作时所使用的组件和设施与学校的肯定是不同的，一旦学生掌握了基础知识，他们学习新组件的细节就会容易得多。 对于获得有关嵌入式系统的物理直觉，实践经验特别重要。某些硬件设计经验是非常宝贵的，我认为每一个学生都应该知道燃烧塑封集成电路包装盒的气味。但我强烈建议你避免专注于硬件设计。如果花费太多的时间去构建硬件平台，你将没有足够的时间去编写有趣的程序。一个实际问题是，大多数课程没有时间让学生用高性能I/O设备和可能的多处理器来建造复杂的硬件平台。多数学生可以通过测量和评价一个现有的硬件平台来学习硬件知识。编制复杂嵌入式系统程序的实践也可以教给学生相当多的硬件知识，调试中断驱动代码是学生基本不会忘记的一种经验。 本书的主页（www.mkp.com/embed）中包括本书相关材料的概括、教师手册、实验材料、到相关Web站点的链接，以及包含习题解答的受密码保护的ftp站点的链接。 致谢感谢许多帮助我准备这本书的人。一些人给了我关于本书各个方面的建议：关于规格说明的Steve Johnson（印第安纳大学），关于程序跟踪的Louise Trevillyan和Mark Charney（均在IBM研究院），关于高速缓存失效方程的Margaret Martonosi（普林斯顿大学），关于低功耗的Randy Harr（美国新思科技公司），关于分布式系统的Phil Koopman（卡内基-梅隆大学），关于低功耗计算与累加器的Joerg Henkel（NEC C&C实验室），关于实时操作系统的Lui Sha（伊利诺伊大学），关于ARM体系结构的John Rayfield（ARM公司），关于编译器和SHARC的David Levine（美国模拟器件公司），以及关于SHARC的Con Korikis（美国模拟器件公司）。许多人员在各阶段对本书进行了审阅：David Harris（哈维姆德学院），Jan Rabaey（加州大学伯克利分校），David Nagle（卡内基-梅隆大学），Randy Harr（美国新思科技公司），Rajesh Gupta、Nikil Dutt、Frederic Doucet和Vivek Sinha（加州大学欧文分校），Ronald D. Williams（弗吉尼亚大学），Steve Sapiro（SC 协会），Paul Chow（多伦多大学），Bernd G. Wenzel（Eurostep），Steve Johnson（印第安纳大学），H. Alan Mantooth（阿肯色大学），Margarida Jacome（得克萨斯大学奥斯汀分校），John Rayfield（ARM公司），David Levine（美国模拟器件公司），Ardsher Ahmed（马萨诸塞大学/达特茅斯大学），Vijay Madisetti（佐治亚理工学院）。还要特别感谢编辑Denise Penrose，Denise费了很大精力寻找本书的潜在用户并和他们交流，帮助我们了解读者想要学什么。特别感谢她的洞察力和坚持。Cheri Palmer和她的出版团队在令人难以置信的紧迫日程内出色地完成了工作。当然，所有的错误和失误都是我的。 Wayne Wolf