高效的电子系统设计是否有一定之规？软件设计者常会说：把代码写得精益求精！而硬件专家常会说：让电路运行得更快！但你看过本书之后，将得出显而易见的结论。只有兼收并蓄，把软件与硬件设计的长处融合为一，才有望达到□佳效果。软/硬件协同设计就是这样的一门学问，它引导设计者在电子系统设计中针对性能与设计灵活性进行明智取舍。通过进行软/硬件协同设计，设计者可对两种区别巨大的设计风格——使用软件对功能在时间维度进行串行分解和使用硬件对功能在空间维度进行并行分解——加以融合，从而得到满意的设计。
本书读者对象
阅读本书之前，你应该基本了解硬件的相关知识，熟悉诸如寄存器、逻辑门、多路复用器、算术运算电路等电子元器件的概念。你也应该了解如何运用C语言编写代码。这些知识通常在计算机工程系的入门课程中学习，或者通过学习数字系统设计和软件工程两门课程进行训练。
本书适合作为高年级本科或低年级研究生的教材。另外，它也适合非计算机工程专业背景的研究者阅读，例如，无系统硬件设计训练背景的密码学家可通过研习本书，从而达到针对特殊算法设计系统架构的程度。
内容组织
本书重点兼顾设计方法与设计语言建模。设计建模有助于帮助设计者厘清问题头绪，捕捉问题答案。设计方法则系统性地将设计模型转换为□终实现。
本书包含四部分：基本概念、自定义体系结构的设计空间、软/硬件接口，以及应用实例。
□□部分 基本概念
□□章介绍软件和硬件的基本性质，并讨论软/硬件协同设计的动因。第□～3章描述数据流建模与实现。数据流建模是非常有用的系统级规范技术，并且是实现独立的，即系统可以从数据流模型实现成软件或者硬件。数据流建模也支持高层次性能分析与优化。第□章着重介绍数据流系统的稳定性分析与数据流模型的性能优化策略，例如流水线与重定时。第3章展示如何将数据流模型实现为硬件或软件。第4章介绍C代码的控制流和数据流分析。通过分析一段C代码中的控制依赖与数据依赖，设计者可以洞悉该程序的可能硬件实现。
第二部分 自定义体系结构的设计空间
第二部分带领读者开启一次灵活的、自定义体系结构的广阔设计空间之旅。四种数字体系结构的回顾展现了硬件设计如何逐步演化成软件设计。第5章介绍的带数据路径的有限状态机（FSMD）是整个“旅途”的起始点。有限状态机模型与寄存器传输级（RTL）的硬件模型等价。第6章介绍微程序的体系结构。与RTL机器不同之处在于，它们具有一个软件可编程的灵活控制器。第7章回顾通用的嵌入式RISC内核。这些处理器是当代软/硬件系统的核心部件。第8章介绍如何将这些通用嵌入式内核集成到片上系统（SoC）的FSMD模块中。第三部分将讨论针对片上系统的软/硬件协同设计的问题。
第三部分 软/硬件接口
第三部分描述片上系统（SoC）中硬件与软件的交互机制。第9章介绍软/硬件通信的核心概念。其中详细解释了软/硬件的同步策略，以及通信限制设计与计算限制设计的区别。□□0章讨论片上总线的结构，以及软件与硬件通过片上总线高效交互的若干技术。□□1章描述微处理器接口。这些接口的主要作用是为外设硬件在基于处理器的系统设计中提供一个处理器的附着点。该章描述三种接口，分别为内存映射接口、协处理器接口和自定义指令接口。□□□章讨论了把硬件模块封装到一个预定义的微处理器接口的设计技术。
第四部分 应用实例
第四部分描述三个软/硬件协同设计的应用实例。□□3章给出用于Trivium流密码算法的一个协处理器设计方案。□□4章给出用于AES的一个协处理器设计方案。□□5章给出用于计算CORDIC旋转的一个协处理器设计方案。每个设计方案都涉及不同的处理器和微处理器接口。□□3章使用8051微控制器和ARM，□□4章使用ARM和Nios-II，□□5章使用MicroBlaze。
本书大部分实例都可从互联网下载，供读者动手练习。附录包含GEZEL工具与示例的安装指导。
每章末尾两节分别包含问答题和扩展阅读。问答题用于帮助读者建立对本书内容更深层的理解。部分问答题的答案可通过Springerextras在线获取，网址为http://extras.springers.com。
有些主题本书并未提及与讨论。本书作为一本关于一项复杂主题的参考指南，试图把握细节度与复杂度之间的平衡。例如，本书并未涉及软件并发的进阶概念，如线程和复杂软件架构（如操作系统、驱动程序等）。本书也未涉及软件中断或者更高阶的软件系统操作概念，如DMA（Direct Memory Access）。
建议读者顺序阅读本书，必读内容包含□□、4、5、7～1□章。
第□版出版说明
第□版全面修订了□□版，重新撰写了几个章节并增添了新内容。第□版的重点放在提高整体结构，使其更加有逻辑性和可读性，并添加了一些应用实例。
以下是具体的修订□化：
数据流的相关章节被划分为两章：一章着重介绍数据流的分析和传输，另一章着重介绍数据流的实现。针对传输的讨论为介绍本书的性能分析和优化提供了条件。
第6章新增了一个基于8051微控制器的微程序实例。
第7章在RISC处理器的基础上，着重于通过GNC编译器的工具链检验目标代码以及分析汇编代码。
由于GEZEL开始支持AVR指令的仿真，第8章在片上系统中新增了一个使用AVR微处理器的应用实例。
第三部分重新组织了描述软/硬件接口的内容。第9章解释了软/硬件接口设计中的类属概念。在□□版中，这些概念在各个不同章节中分散介绍。第□版将这些概念集中在一章内，以便给读者一个更加简明的定义。
第三部分对软/硬件接口的三个组成部分进行了详细说明。这三个部分包括片上总线（□□0章）、微处理器接口（□□1章）以及硬件接口（□□□章）。“硬件接口”在□□版中叫“控制器”（Control Shell）。新的定义在逻辑上更加适合软/硬件接口的整体描述。
□□0章在片上总线内容的基础上新增了对Altera的Avalon片上总线的描述。AMBA的部分也更新到了□新的AMBA规范标准（v4）。
□□1章在微处理器接口内容的基础上新增了Nios-II自定义指令接口的讨论和实例。
第四部分在原有应用实例内容的基础上扩展了一个AES协处理器的章节。现在的内容包括三章，涉及Trivium、AES以及CORDIC。
新增的附录描述如何安装和使用GEZEL工具。现在第5、6、8、11、13～15章的实例有可用的源代码。使用GEZEL工具可编译这些源代码。具体的操作步骤可以参考附录。
Springer网站的extras部分提供了部分问答题的答案。
第□版全面修订了语法和录入错误。非常感谢Gilberta Fernandes Marchioro、Ingrid Verbauwhede、Soyfan和Li Xin提供了□□版中的勘误。
实例演练
本书既着眼于概念与设计方法，又兼顾实践联系，因而在章节之间穿插了很多实例，并且使用3章的篇幅（即第四部分）详细讨论了完整的设计流程。
本书选择GEZEL（一种开源周期精准的硬件建模语言）作为本书使用的硬件描述语言。可从GEZEL网站（http://rijndael.ece.vt.edu/gezel□）下载软件、用例，以及其他说明文档。请参见附录A中的下载细节与安装说明。
之所以选择GEZEL而非主流硬件描述语言（HDL）如VHDL、Verilog或SystemC，原因如下：
减少建模开销。尽管建模对于嵌入式系统的构建至关重要，但是太多的建模细节往往使读者忽略掉关键问题。例如，对时钟信号建模需要很多额外的细节，但对单时钟源同步系统的设计来说，它们又不重要。在现实中，数字硬件系统大部分由单时钟源同步系统构成。
GEZEL可安装协同仿真插件。GEZEL模型可与多种处理器仿真模型进行协同仿真，包括ARM、8051和AVR。GEZEL包含一种库模块建模机制，允许用户定义与多种仿真引擎进行协同仿真的接口。
简洁化的需求。本书侧重实践，因而会列举大量实例代码清单，应力求代码简洁。第5章中同时罗列了用GEZEL、VHDL、Verilog、SystemC描述的设计实例，帮助读者进一步明晰简洁的重要性。
实现路径。GEZEL可自动转换为VHDL，因而可用标准HDL逻辑合成工具生成系统。
作者曾在软/硬件协同设计课程上把本书作为课程辅导材料。课程受众包括高年级本科生与低年级研究生。对于高年级本科生，这门课程将计算机工程的多个元素混合在一起，包括计算机体系结构、软件工程、硬件设计、调试以及测试。对于低年级研究生，这门课程可作为他们重温知识以及开始计算机科研生涯的起点。
在软/硬件协同设计课程中，GEZEL实验由FPGA后端（基于Xilinx/EDK或者Altera/Quartus）与FPGA快速原型套件实现。GEZEL建模作业与FPGA实现作业交叉进行。通过GEZEL后端套件进行实现，学生甚至不必进行VHDL编码。在课程□后有一个竞赛环节。学生需将一段指定的C程序通过软/硬件协同设计技术在FPGA上实现尽量快加速。
希望你会喜爱本书，并且衷心地希望本书在实际设计中能帮到你。我为本书中还存在的一些错误感到抱歉，当然我感谢你对本书的反馈。
Patrick R. Schaumont
美国 弗吉尼亚州 布莱克斯堡
