本書結(jié)合ARM架構(gòu)和Linux工具，關(guān)注以性能為導(dǎo)向的嵌入式編程，深入講解如何通過對數(shù)據(jù)、算法和存儲等層面的優(yōu)化，終實(shí)現(xiàn)性能的顯著提升。本書先講解ARM架構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，然后結(jié)合圖像變換、分形生成和計(jì)算機(jī)視覺等應(yīng)用案例，詳細(xì)說明不同的優(yōu)化方法。讀者可在RaspberryPi等平臺上動手運(yùn)行并比較不同算法，掌握實(shí)踐技巧。本書適合作為本科或研究生嵌入式系統(tǒng)課程的教材，也適合從事相關(guān)開發(fā)工作的程序員參考。
前 言Embedded Systems: ARM Programming and Optimization多年來，我一直工作在可重構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域。可重構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域的目標(biāo)是開發(fā)有效的工具和方法，以促進(jìn)現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為協(xié)處理器在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的使用。 這個學(xué)科的主要挑戰(zhàn)之一是“程序設(shè)計(jì)問題”，即FPGA的實(shí)際應(yīng)用從根本上受到煩瑣和容易出錯的程序模型的限制。這個問題值得我們特別關(guān)注，因?yàn)樗羌夹g(shù)優(yōu)勢所導(dǎo)致的結(jié)果：FPGA實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒度并發(fā)操作，這樣程序員可以控制芯片中每個電路的同步行為。然而，這種控制還要求程序員管理細(xì)粒度的控制，例如片上存儲使用和路由擁塞。另一方面，CPU程序只需要考慮每一行代碼的可能CPU狀態(tài)，片上資源在硬件運(yùn)行時將自動管理。 最近我意識到，現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)可能很快就會面臨類似的程序設(shè)計(jì)問題。電池技術(shù)仍然相對滯后，并且在用近6年時間實(shí)現(xiàn)了從65nm到28nm的制造工藝后，摩爾定律的發(fā)展速度開始明顯減緩。與此同時，消費(fèi)者已經(jīng)開始期待嵌入式系統(tǒng)功能的不斷進(jìn)步，例如能夠在一副眼鏡上的處理器中運(yùn)行實(shí)時增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）軟件。 鑒于這些能源效率和性能的要求，許多嵌入式處理器廠商正在為微體系結(jié)構(gòu)尋求更節(jié)能的方法，并經(jīng)常涉及對并行類型的選擇，而這一類型是不能從軟件中自動提取的。這就需要程序員協(xié)助編寫并行代碼。這帶來了很多問題：程序員要在資源和能量均有限的平臺上兼顧功能和性能，要知道，在這個平臺上可能包括從多核到GPU著色器單元等各種并行資源。 許多大學(xué)已經(jīng)開展了“統(tǒng)一”的并行編程課程，這些課程涵蓋了從分布式系統(tǒng)到多核處理器的并行編程系列。然而，教授這類主題的角度通常是高性能計(jì)算而非嵌入式計(jì)算。 隨著最近Raspberry Pi等先進(jìn)嵌入式平臺的爆發(fā)，我意識到需要開發(fā)針對嵌入式系統(tǒng)性能的編程課程，這些課程應(yīng)涵蓋從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)到并行編程的相關(guān)主題。我也想納入一些有趣的相關(guān)項(xiàng)目和課程的案例研究，這樣可以避開枯燥的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)課程項(xiàng)目（例如閃爍的LED）和并行編程課程（例如編寫和優(yōu)化快速傅里葉變換）。 在自己的嵌入式系統(tǒng)課程中使用這些想法時，我經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生們會爭相實(shí)現(xiàn)最快的圖像旋轉(zhuǎn)或最快的曼德布羅特集合生成器。這種競爭也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 如何使用本書本書面向初級或高級本科計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程課程。雖然嵌入式系統(tǒng)課程可能關(guān)注控制理論、機(jī)器人技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)、實(shí)時系統(tǒng)或其他相關(guān)的主題，但本書旨在介紹輕量級片上系統(tǒng)嵌入式處理器上的以性能為導(dǎo)向的編程。 本書應(yīng)該結(jié)合Raspberry Pi等嵌入式設(shè)計(jì)平臺一起使用，這樣學(xué)生可以評估書中所述的實(shí)踐和方法。 在使用本書時，學(xué)生應(yīng)該預(yù)先學(xué)習(xí)C編程語言和Linux操作系統(tǒng)的基本知識，并了解諸如任務(wù)同步等基本的并發(fā)。 教輔支持可訪問網(wǎng)站booksite.elsevier.com/9780128003428查看本書的幻燈片、習(xí)題答案和勘誤表。 致 謝Embedded Systems: ARM Programming and Optimization感謝幫助我完成本書的幾位學(xué)生。 2013年春季和夏季，本科生Benjamin Morgan、Jonathan Kilby、Shawn Weaver、Justin Robinson以及Amadeo Bellotti評估了Raspberry Pi Broadcom BCM2835和Xilinx Zynq 7020上的DMA控制器和性能監(jiān)控單元。 2014年夏季，本科生Daniel Clements幫助我開發(fā)了在ARM11、ARM Cortex A9和ARM Cortex A15上使用Linux perf_event的統(tǒng)一方法。Daniel還評估了圖像技術(shù)的OpenCL運(yùn)行時，以及描述了在ODROID XU Exynos 5平臺上的PowerVR 544 GPU的性能特點(diǎn)。 2015年夏季，本科生Friel“Scottie”Scott幫助我評估了ODROID XU3平臺上的Mali T628 GPU，并且校對了第5章的內(nèi)容。 許多關(guān)于計(jì)算機(jī)視覺算法存儲優(yōu)化的見解來自我的研究生Fan Zhang的關(guān)于德州儀器關(guān)鍵數(shù)字信號處理器架構(gòu)的自動優(yōu)化模板循環(huán)的論文。 感謝以下評論者，他們在本書的編寫過程中提供了反饋、見解以及有用的建議： Miriam Leeser，美國東北大學(xué)Larry D. Pyeatt，美國南達(dá)科他礦業(yè)理工學(xué)院Andrew N. Sloss，美國華盛頓大學(xué)，同時在ARM公司做顧問工程師Amr Zaky，美國圣塔克拉拉大學(xué)感謝Morgan Kaufmann出版公司，感謝Nate McFadden在整個寫作過程中給予我的不斷鼓勵和無限耐心。特別感謝Nate對于本書內(nèi)容所持的開放和靈活的態(tài)度，這使我在寫作時能夠不斷跟進(jìn)新發(fā)布的基于ARM的嵌入式開發(fā)平臺。也要感謝Sujatha Thirugnana Sambandam的細(xì)心編輯，還要感謝Mark Rogers為本書設(shè)計(jì)封面。
Jason D. Bakos，美國南卡羅來納大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系副教授，研究方向包括高性能計(jì)算、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。擁有2項(xiàng)專利，發(fā)表了30余篇學(xué)術(shù)論文。2009年曾獲得美國國家科學(xué)基金（NSF）事業(yè)獎，現(xiàn)為ACM會刊《可重構(gòu)技術(shù)與系統(tǒng)》的副主編。
目 錄Embedded Systems: ARM Programming and Optimization出版者的話譯者序前言致謝第1章Linux/ARM嵌入式平臺 11.1以性能為導(dǎo)向的編程 21.2ARM技術(shù) 31.3ARM簡史 41.4ARM編程 41.5ARM體系集架構(gòu) 51.5.1ARM通用寄存器 51.5.2狀態(tài)寄存器 61.5.3內(nèi)存尋址模式 71.5.4GNU ARM匯編 81.6匯編優(yōu)化1：排序 81.6.1參考實(shí)現(xiàn) 81.6.2匯編實(shí)現(xiàn) 91.6.3結(jié)果驗(yàn)證 111.6.4分析編譯器生成的代碼 131.7匯編優(yōu)化2：位操作 151.8代碼優(yōu)化目標(biāo) 161.8.1減少執(zhí)行指令數(shù) 161.8.2降低平均CPI 161.9使用性能計(jì)數(shù)器的運(yùn)行時分析 181.9.1ARM性能監(jiān)控單元 181.9.2Linux Perf_Event 181.9.3性能計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)架構(gòu) 191.10檢測存儲器帶寬 221.11性能測試結(jié)果 251.12性能界限 251.13基本指令集 261.13.1整型算術(shù)指令 261.13.2按位邏輯指令 261.13.3移位指令 271.13.4移動指令 271.13.5加載和存儲指令 281.13.6比較指令 281.13.7分支指令 291.13.8浮點(diǎn)指令 291.14小結(jié) 30習(xí)題 31第2章多核和數(shù)據(jù)層優(yōu)化：OpenMP和SIMD 332.1本書所涉及的優(yōu)化技術(shù) 332.2阿姆達(dá)爾定律 342.3測試內(nèi)核：多項(xiàng)式評估 352.4使用多核：OpenMP 372.4.1OpenMP指令 372.4.2范圍 392.4.3其他OpenMP指令 422.4.4OpenMP同步 422.4.5調(diào)試OpenMP代碼 442.4.6OpenMP并行循環(huán)編譯指令 462.4.7OpenMP與性能計(jì)數(shù)器 482.4.8OpenMP支持霍納內(nèi)核 482.5性能界限 482.6性能分析 492.7GCC中的內(nèi)聯(lián)匯編語言 502.8優(yōu)化1：降低每f?lop的指令數(shù) 512.9優(yōu)化2：降低CPI 542.9.1軟件流水線 542.9.2軟件流水線的霍納方法 572.10優(yōu)化3：使用SIMD時的每指令多f?lop 632.10.1ARM11的VFP短向量指令 652.10.2ARM Cortex的NEON指令 672.10.3NEON內(nèi)聯(lián)函數(shù) 692.11小結(jié) 70習(xí)題 71第3章算法優(yōu)化和Linux幀緩沖 723.1Linux幀緩沖 723.2仿射圖像變換 743.3雙線性插值 743.4浮點(diǎn)圖像變換 753.4.1加載圖像 763.4.2渲染幀 783.5浮點(diǎn)性能分析 823.6定點(diǎn)運(yùn)算 823.6.1定點(diǎn)與浮點(diǎn)：準(zhǔn)確度 833.6.2定點(diǎn)與浮點(diǎn)：范圍 833.6.3定點(diǎn)與浮點(diǎn)：精度 833.6.4使用定點(diǎn) 843.6.5高效定點(diǎn)加法 843.6.6高效定點(diǎn)乘法 873.6.7確定小數(shù)點(diǎn)的位置 893.6.8圖像變換的范圍和準(zhǔn)確度要求 903.6.9將浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)值的運(yùn)算 903.7定點(diǎn)性能 923.8實(shí)時分形生成 923.8.1像素著色 943.8.2放大 943.8.3范圍和準(zhǔn)確度要求 953.9小結(jié) 96習(xí)題 96第4章存儲優(yōu)化和視頻處理 994.1模板循環(huán) 994.2模板案例：均值濾波器 1004.3可分離濾波器 1004.3.1高斯模糊 1014.3.2Sobel濾波器 1034.3.3Harris角點(diǎn)檢測器 1044.3.4Lucas-Kanade光流 1064.4二維濾波器的存儲訪問行為 1084.4.1二維數(shù)據(jù)展示 1084.4.2按行濾波 1084.4.3按列濾波 1094.5循環(huán)分塊 1104.6分塊和模板暈區(qū) 1124.7二維濾波實(shí)現(xiàn)案例 1124.8視頻幀的捕獲和轉(zhuǎn)換 1164.8.1YUV和色度抽樣 1164.8.2將分塊導(dǎo)出到幀緩沖區(qū) 1184.9Video4Linux驅(qū)動和API 1194.10使用二維分塊濾波器 1224.11應(yīng)用可分離的二維分塊濾波器 1234.12頂層循環(huán) 1244.13性能結(jié)果 1244.14小結(jié) 124習(xí)題 125第5章利用OpenCL進(jìn)行嵌入式異構(gòu)編程 1275.1GPU微體系結(jié)構(gòu) 1285.2OpenCL 1285.3OpenCL編程模型、語法及摘要 1295.3.1主機(jī)/設(shè)備編程模型 1295.3.2錯誤檢查 1305.3.3平臺層：初始化平臺 1315.3.4平臺層：初始化設(shè)備 1335.3.5平臺層：初始化上下文 1355.3.6平臺層：內(nèi)核控制 1365.3.7平臺層：內(nèi)核編譯 1375.3.8平臺層：設(shè)備存儲分配 1405.4內(nèi)核工作負(fù)荷分配 1415.4.1設(shè)備存儲區(qū) 1425.4.2內(nèi)核參數(shù) 1435.4.3內(nèi)核向量化 1455.4.4霍納內(nèi)核的參數(shù)空間 1465.4.5內(nèi)核屬性 1475.4.6內(nèi)核調(diào)度 1475.5霍納方法的OpenCL實(shí)現(xiàn)：設(shè)備碼 1525.6性能結(jié)果 1565.6.1參數(shù)探索 1565.6.2工作組數(shù) 1565.6.3工作組大小 1575.6.4向量大小 1575.7小結(jié) 158習(xí)題 158附錄A 為Raspberry Pi 1的Raspbian系統(tǒng)添加PMU支持 160附錄B NEON內(nèi)聯(lián)函數(shù)指令 163附錄C OpenCL參考 175
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