微型计算机系统原理及应用

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出版者:清华大学出版社
作者:杨素行
出品人:
页数:412 页
译者:
出版时间:1995年1月1日
价格:23.50元
装帧:平装
isbn号码:9787302019619
丛书系列:
图书标签:
  • 微型计算机
  • 计算机原理
  • 系统原理
  • 应用
  • 数字电路
  • 汇编语言
  • 计算机系统
  • 电子技术
  • 计算机基础
  • 硬件
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具体描述

《清华大学非计算机专业微机原理教材·微型计算机系统原理及应用》可作为高等学校工科非计算机专业的研究生或本科生的教材,也可供工程技术人员参考。

《嵌入式系统设计与开发实战》 本书旨在为读者构建一个全面而深入的嵌入式系统知识体系,从基础概念到实际应用,力求让读者掌握嵌入式系统从硬件选型、软件开发到系统调试的全流程技能。本书不涉及微型计算机系统原理和应用,而是专注于嵌入式领域的核心技术和实践方法。 第一部分:嵌入式系统基础 本部分将带领读者走进嵌入式系统设计的世界,理解其独特性和核心组成。 第1章 嵌入式系统概述: 介绍嵌入式系统的定义、特点、发展历程及其在现代社会中的广泛应用(如智能家居、工业自动化、医疗设备、汽车电子等)。 阐述嵌入式系统与通用计算机系统的主要区别,例如实时性、资源受限性、专用性、可靠性等。 探讨嵌入式系统设计的关键挑战,包括功耗管理、成本控制、体积限制、实时性能要求以及安全性需求。 明确嵌入式系统设计的基本流程,从需求分析到系统集成与测试。 第2章 嵌入式微控制器(MCU)体系结构: 深入剖析嵌入式系统中常用的微控制器(MCU)的内部结构,重点介绍其核心处理器(如ARM Cortex-M系列)、存储器(Flash、RAM)、外设接口(GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、定时器、PWM等)以及总线结构。 讲解不同MCU系列(如STMicroelectronics STM32、NXP Kinetis、Microchip PIC等)的典型架构和优势,帮助读者根据项目需求进行选型。 探讨中断机制、低功耗模式、内存管理等关键概念在MCU中的实现方式。 第3章 嵌入式开发常用工具链: 介绍嵌入式软件开发所必需的工具链,包括交叉编译器(如GCC for ARM)、汇编器、链接器、调试器(如GDB)以及集成开发环境(IDE,如Keil MDK、IAR Embedded Workbench、PlatformIO、STM32CubeIDE等)。 详细讲解如何配置和使用这些工具来编译、链接和调试嵌入式程序。 介绍代码调试的常用技巧,包括断点设置、单步执行、变量查看、内存检查等,以及如何利用仿真器和调试器解决常见软件问题。 第二部分:嵌入式软件开发 本部分将聚焦于嵌入式软件的开发技术,涵盖从底层驱动到应用层逻辑的构建。 第4章 嵌入式C/C++编程: 回顾和强调嵌入式C/C++编程的特性,包括指针操作、内存管理(堆、栈)、位操作、数据类型选择以及高效的代码编写风格。 讲解如何利用C/C++语言特性来高效地控制硬件,例如通过直接操作寄存器来驱动外设。 介绍面向对象编程(OOP)在嵌入式开发中的应用,以及如何利用C++的类和对象来组织和管理复杂的嵌入式软件。 第5章 嵌入式操作系统(RTOS)原理与应用: 介绍实时操作系统(RTOS)的概念、作用以及其在多任务处理、资源管理、进程间通信(IPC)等方面的核心功能。 详细讲解RTOS中的关键概念,如任务(Task)、任务调度(调度算法如优先级调度、轮转调度)、信号量(Semaphore)、互斥锁(Mutex)、消息队列(Message Queue)、事件标志组(Event Flags)等。 以FreeRTOS、RT-Thread等流行的开源RTOS为例,展示如何在实际项目中集成和配置RTOS,以及如何编写多任务应用程序。 第6章 嵌入式驱动程序开发: 讲解驱动程序的设计原则和实现方法,包括如何编写访问和控制硬件外设(如GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、定时器、PWM、LCD、触摸屏等)的底层代码。 介绍中断处理机制,如何编写高效的中断服务例程(ISR)来响应外部事件。 探讨设备树(Device Tree)在现代嵌入式Linux系统中的作用,以及如何在驱动程序中使用它来描述硬件。 第7章 嵌入式通信协议与网络: 介绍嵌入式系统中常用的通信协议,包括串行通信(UART)、同步/异步通信(SPI、I2C)、总线通信(CAN、USB)等。 探讨嵌入式网络通信,包括TCP/IP协议栈的基本原理、Socket编程在嵌入式系统中的应用。 介绍Wi-Fi、蓝牙、LoRa等无线通信技术在嵌入式设备连接中的应用,以及MQTT、CoAP等轻量级物联网协议。 第三部分:嵌入式系统设计与调试 本部分将指导读者进行系统级的软硬件协同设计,并掌握高效的调试方法。 第8章 嵌入式硬件接口设计: 介绍常用的嵌入式硬件接口标准和设计考虑,例如信号完整性、电源管理、时序约束等。 讲解如何选择和设计合适的接口电路来连接传感器、执行器、显示器、存储设备等外部组件。 探讨嵌入式系统中的电源设计和管理,包括LDO、DC-DC转换器、电池管理等。 第9章 嵌入式系统调试与测试: 深入讲解嵌入式系统调试的常用方法和技术,包括逻辑分析仪、示波器、JTAG/SWD调试接口、串口调试输出等。 介绍在代码级别进行调试的技巧,如printf调试、断言(assert)、日志记录等。 探讨单元测试、集成测试和系统测试在嵌入式项目中的重要性,以及如何设计和执行有效的测试用例来确保系统的稳定性和可靠性。 第10章 嵌入式系统优化与功耗管理: 讲解嵌入式系统在性能和功耗方面的优化策略,包括代码优化(如算法选择、编译器优化)、硬件选型优化、低功耗模式利用等。 介绍如何通过分析功耗曲线来定位功耗瓶颈,并采取相应的措施进行降低。 探讨睡眠模式、时钟门控、外设动态使能等低功耗技术在嵌入式系统中的应用。 第四部分:嵌入式系统综合应用 本部分将通过实际案例,展示嵌入式系统设计的应用场景和解决方案。 第11章 物联网(IoT)设备开发: 介绍物联网的概念、体系结构以及其在智能家居、智能农业、智慧城市等领域的应用。 以ESP32、STM32+Wi-Fi模块等平台为例,讲解如何开发连接到云平台(如阿里云IoT、AWS IoT、Azure IoT Hub)的物联网设备。 探讨传感器数据采集、边缘计算、远程控制等关键技术在物联网设备开发中的实现。 第12章 嵌入式Linux系统开发(选讲): 简要介绍嵌入式Linux系统的特点、优势及其在高性能嵌入式设备中的应用(如树莓派、嵌入式Android设备)。 讲解嵌入式Linux系统的构建(如Buildroot、Yocto Project)、应用程序开发、驱动程序移植等基础知识。 (注意:此章节内容与本书核心不重复,但提供了一个延伸的视角) 本书结构清晰,内容详实,理论与实践相结合,适合嵌入式系统初学者、爱好者以及希望深入掌握嵌入式系统设计与开发技术的工程师阅读。通过本书的学习,读者将能够独立完成从概念到实现的嵌入式项目。

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用户评价

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拿到这本《微型计算机系统原理及应用》这本书,我原本满心期待能深入了解微型计算机的底层运作机制,以及它如何在我们日常生活中得到广泛应用。然而,在翻阅了几章之后,我不得不说,这本书的内容似乎并没有完全触及我所期望的深度。例如,书中对CPU的架构进行了概述,提到了寄存器、ALU、控制单元等核心组成部分,但对于它们之间如何协同工作,指令如何被取指、译码、执行,尤其是流水线技术、超标量处理等现代CPU提升性能的关键技术,讲解得就有些泛泛而谈了。对于内存管理,虽然提及了虚拟内存、分页、分段等概念,但对于MMU(内存管理单元)的具体实现,以及它如何处理页表查找、TLB(快表)的命中与失效等细节,几乎没有展开。更让我感到些许失望的是,书中在“应用”部分,虽然列举了一些常见的微型计算机应用场景,比如嵌入式系统、个人电脑等,但对于如何根据具体需求选择合适的微型计算机硬件(如CPU型号、内存容量、外围接口等),以及如何进行系统级的优化和调试,指导性不强。比如,在嵌入式系统章节,作者只是简单提到了ARM架构,但并没有深入分析不同ARM指令集(如Thumb、Thumb-2)的特点,也没有详细说明如何针对特定嵌入式应用(如物联网设备、汽车电子)进行功耗优化或实时性保障。同样,在个人电脑的应用部分,关于操作系统如何与硬件进行交互,驱动程序的编写原理,以及如何进行性能调优,也只是一笔带过,未能给我提供实际操作的有力支撑。我本来希望这本书能像一个经验丰富的导师,一步步地引导我理解硬件与软件是如何融为一体,共同构建起我们如今习以为常的数字世界,但目前来看,这本书更像是一个概览性的介绍,对于想要深入钻研的读者,可能还需要借助更多的外部资料。

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拿到这本《微型计算机系统原理及应用》的时候,我对它寄予厚望,希望能够借此系统地了解微型计算机的方方面面。书中对于微处理器的基本结构,例如寄存器、算术逻辑单元、控制单元等,都做了详细的介绍,并且对指令集架构也进行了分类阐述。然而,当涉及到现代微型计算机的核心技术和实际应用时,本书的讲解就显得有些滞后和不够深入了。例如,在“并行处理技术”部分,书中虽然提到了多核处理器,但对于如何进行并行程序的开发,如何解决多线程同步和通信问题,以及多核处理器在性能方面的挑战,这些实际应用中至关重要的内容,都只是蜻蜓点水般地带过。我尝试着根据书中模糊的指导,去理解多核CPU是如何协同工作的,但由于缺乏具体的编程示例和深入的原理分析,我感到无从下手。同样,在“嵌入式系统开发”章节,书中虽然列举了一些嵌入式操作系统的名称,比如VxWorks、QNX等,但对于这些实时操作系统的核心特性,例如任务调度算法、中断处理机制、内存管理策略,以及如何在这些平台上进行高效的开发,书中都没有提供足够的细节。我本期望这本书能够帮助我深入理解微型计算机在各个领域的实际应用,并为我的学习和实践提供有力的指导,但目前的阅读体验,更像是在翻阅一本概览式的教材,对于那些想要深入探索的读者,可能需要寻找更多的补充材料。

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这本书的理论体系搭建得比较完整,尤其是在介绍CPU的指令集架构和存储器管理方面,都提供了一个比较系统的理论基础。我喜欢它在讲解CPU的流水线技术时,详细介绍了指令冲突和数据冒险,以及解决这些问题的几种主要方法,比如分支预测、乱序执行等,这让我对CPU的性能优化有了初步的认识。但是,在将这些理论应用于实际的“应用”场景时,本书的指导性就不那么强了。例如,在“嵌入式系统设计”的章节,书中虽然提到了嵌入式Linux的开发流程,包括交叉编译、Bootloader、内核配置等,但对于每个环节的具体操作步骤和可能遇到的问题,都没有给出详细的讲解。我曾经尝试着根据书中的描述,去搭建一个简单的嵌入式Linux开发环境,但由于书中关于工具链的安装和配置过程过于简化,我遇到了很多棘手的技术难题,最终未能成功。同样,在“高性能计算”这一部分,书中虽然简单提及了并行计算和分布式计算,但对于如何选择合适的计算模型,如何进行并行程序的开发和优化,例如使用MPI或OpenMP等并行编程接口,书中几乎没有涉及。我本期望这本书能够成为我连接微型计算机“理论原理”与“实际应用”之间的纽带,让我能够将学到的知识转化为解决实际问题的能力,但目前来看,它更像是一本理论书籍,而缺少了许多至关重要的“实践操作指南”。

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读完这本书,我最大的感受是它在概念的引入和理论的阐述上,确实做了很多工作,特别是对于微型计算机的基本组成单元,如CPU、内存、输入输出设备等,都进行了比较细致的介绍,并且在章节的安排上也力求逻辑清晰。然而,我发现书中在对这些基本概念进行“应用”的阐述时,显得有些过于抽象和概念化,缺乏足够的具体案例和实践指导。例如,在“微处理器指令系统”这一章,书中列举了各种指令的格式和功能,例如算术指令、逻辑指令、跳转指令等,但对于如何编写一个完整的程序,如何利用这些指令来实现特定的算法,例如排序、搜索,书中提供的汇编语言示例非常简略,也未能给出详细的解释。我尝试着根据书中的指令集,去编写一些简单的程序,但很快就遇到了困难,因为书中并未详细讲解汇编语言的编程风格、调试技巧以及常用的编程工具。同样,在“操作系统基本原理”部分,书中虽然介绍了进程管理、内存管理、文件管理等核心概念,但对于操作系统是如何与硬件进行交互,例如中断处理、系统调用、设备驱动程序的编写,这些关键的“应用”层面,讲解得就非常笼统。我本来希望这本书能够成为我理解微型计算机系统“如何工作”以及“如何用于解决问题”的桥梁,但目前看来,它更多地提供了一个理论的框架,具体的“应用”部分,需要读者自己去挖掘和实践,这对于初学者来说,可能会感到有些吃力。

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作为一本探讨“原理及应用”的书籍,这本书在概念的引入上,还是比较循序渐进的。我喜欢它在介绍指令集架构时,从最基础的MIPS或ARM的简化模型开始,逐步引入寄存器、指令格式、寻址方式等概念。这对于初学者来说,确实能够有效地降低理解门槛。但是,随着内容的深入,我发现书中在对这些基本原理的应用进行阐述时,显得有些不足。例如,在“外设接口与通信”章节,书中虽然介绍了UART、SPI、I2C等常见的串行通信接口,并给出了它们的基本工作流程,但对于如何通过这些接口与具体的传感器、执行器进行交互,如何设计通信协议,以及如何进行错误检测和纠错,书中提供的实例和指导都非常有限。我试图根据书中的内容,去理解一个简单的传感器数据采集系统是如何构建的,但由于缺乏具体的代码示例和详细的硬件连接说明,我感到无从下手。同样,在“嵌入式系统设计”部分,书中虽然提及了RTOS(实时操作系统)的概念,并列举了FreeRTOS、uCOS等几种常见的RTOS,但对于RTOS的核心调度算法(如优先级调度、轮转调度)、任务间通信机制(如信号量、消息队列),以及如何进行实时性分析和性能优化,这些关键内容并没有得到深入的讲解。我本期望这本书能为我提供一个坚实的理论框架,并辅以充足的实践案例,让我能够将学到的原理付诸实践,构建出真实的微型计算机应用,但从目前的阅读体验来看,这本书更像是一本理论百科全书,对于实践指导方面,还有很大的提升空间。

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这本书的排版和图示设计给我留下了深刻的印象。书中使用了大量的流程图、时序图和结构图,清晰地展示了各种硬件模块之间的连接关系和数据传输过程。例如,在讲解CPU的执行流水线时,书中用多幅图详细描绘了指令从取指、译码、执行、访存到写回的各个阶段,以及数据冲突和控制冲突的处理方式,这让我对CPU的内部工作机制有了更直观的理解。然而,在内容深度方面,这本书的讲解仍然存在一些不足。比如,在“存储器层次结构”这一章节,书中虽然提到了CPU缓存,但对于多级缓存(L1、L2、L3)的设计理念,缓存块的大小、关联度、替换策略(如LRU)等具体的缓存管理技术,都没有进行详细的介绍。这使得我在理解缓存不命中的原因以及如何优化缓存访问效率时,总是感觉少了一些关键的信息。同样,在“输入输出系统”的部分,书中虽然介绍了I/O端口、内存映射I/O、DMA等不同的I/O方式,并给出了各自的优缺点,但对于I/O性能的评估标准,以及如何在实际应用中根据性能需求选择合适的I/O方式,这些指导性的内容也相对较少。我本期望这本书能够为我打开理解微型计算机系统复杂而精密的“内部运作”的大门,让我能够更深入地剖析硬件和软件是如何协同工作的,但目前的阅读体验,更像是让我得以窥见一斑,想要更进一步的探索,仍然需要更多的引导和细节。

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这本书的章节安排和逻辑结构还是比较清晰的,从微处理器的基本构成,到存储器系统,再到输入输出接口,最后过渡到应用层面,整体上构成了一个相对完整的知识体系。我比较喜欢书中在介绍CPU指令执行过程时,详细地描绘了指令的取址、译码、执行、访存、写回等几个阶段,并且还解释了流水线技术如何通过重叠执行指令来提高效率,这让我对CPU的工作流程有了更清晰的认识。但是,在对这些原理进行“应用”的阐述时,本书的深度和广度就有些不足了。例如,在“存储器管理”这一章,书中虽然介绍了虚拟内存、分页、分段等概念,并说明了它们的作用,但对于实际的内存管理单元(MMU)是如何工作的,页表是如何组织的,以及TLB(快表)是如何加速内存访问的,这些关键的实现细节都没有深入探讨。我尝试着去理解一个操作系统是如何分配和管理内存的,但由于书中缺乏具体的代码示例和深入的分析,我感到有些迷茫。同样,在“网络协议与应用”部分,书中虽然简要介绍了HTTP、FTP等常见网络协议,但对于这些协议的内部工作机制,例如HTTP的请求-响应模型,FTP的文件传输流程,以及如何利用这些协议开发网络应用,书中提供的例子非常简单,也未能深入分析。我本期望这本书能够帮助我构建一个关于微型计算机的全面认知,理解其“原理”如何支撑起各式各样的“应用”,但目前的阅读体验,更像是在一个宏观层面进行介绍,对于深入理解和实践,还需要更多的细化和实例。

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这本书在微型计算机的硬件组成部分的介绍上,还是比较全面的,例如CPU、内存、显卡、声卡、网卡等,都进行了详细的介绍,并且对它们的基本工作原理也进行了阐述。我比较欣赏书中对CPU缓存的讲解,详细介绍了缓存的工作机制,包括缓存行、缓存命中、缓存不命中等概念,并且还讨论了不同缓存一致性协议(如MESI)的原理,这让我对CPU的性能提升有了更深入的理解。然而,在“应用”方面,这本书的讲解就显得有些不足了。例如,在“个人计算机系统”这一章,书中虽然列举了各种外围设备,如显示器、键盘、鼠标、打印机等,并大致介绍了它们的功能,但对于如何根据用户的需求选择合适的硬件配置,如何进行系统级的性能优化,以及如何排除常见故障,这些实用的信息却很少。我曾经希望这本书能像一个经验丰富的电脑工程师,指导我如何构建一台满足特定需求的电脑,例如用于游戏、影音或者科学计算,但书中提供的建议非常笼统。同样,在“网络通信”的部分,书中虽然提及了TCP/IP协议栈,并介绍了IP地址、端口号、TCP连接等基本概念,但对于如何进行网络配置,如何保障网络安全,以及如何利用网络进行分布式应用开发,这些更贴近实际的应用场景,都没有得到深入的探讨。我本期望这本书能够带领我深入理解微型计算机是如何在现代社会中扮演关键角色的,但目前的阅读体验,更像是在浏览一本硬件的说明书,而缺少了许多关键的“应用场景分析”和“实践指导”。

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这本书在理论知识的梳理上,还是下了一些功夫的,尤其是在介绍微处理器发展历史和基本工作原理时,条理还是比较清晰的。我比较欣赏书中对于早期微处理器(如Intel 8080、Motorola 6800)的介绍,这些内容帮助我建立起对微型计算机最初形态的认识。然而,当涉及到更现代的处理器架构和技术时,本书的讲解就显得力不从心了。比如,书中虽然提到了RISC和CISC指令集架构的区别,但对于RISC-V等新兴的开放指令集架构,以及它们在性能、功耗和可扩展性方面的优势,却几乎没有提及。在多核处理器和并行计算方面,本书也只是泛泛地谈到了多核的好处,但对于如何有效地利用多核资源进行并行编程,以及多核处理器在缓存一致性、任务调度等方面的挑战,都没有深入的论述。令我稍感遗憾的是,在“系统集成与互联”的部分,书中对各种接口和总线的介绍,虽然列举了HDMI、DisplayPort等视频接口,以及SATA、NVMe等存储接口,但对于这些接口的信号编码方式、传输速率的演进,以及它们在实际应用中的性能瓶颈,都缺乏深入的分析。例如,在讨论NVMe接口时,书中只是简单地提到它比SATA快,但没有解释NVMe为何能够实现如此高的性能,其底层的NVMe协议有哪些关键特性。我原本希望这本书能够成为我深入理解现代计算硬件技术的一块基石,帮助我理解那些驱动我们生活数字化的底层技术,但目前看来,它更多地像是一本入门的介绍读物,对于想要在技术前沿有所探索的读者,需要补充更多前沿的资料。

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这本书的装帧设计相当不错,纸张的质感和印刷的清晰度都达到了相当高的水准,拿在手里很有分量感,也让人赏心悦目。封面设计的风格也比较现代,简洁而不失专业性,很容易吸引到对计算机技术感兴趣的读者。然而,当我沉浸在阅读内容中时,却发现书中对于一些关键概念的阐述,虽然用了不少篇幅,但往往流于表面,未能深入到核心的逻辑。例如,在讲解总线接口的部分,书中提到了PCIe、USB等常见的总线标准,并大致描述了它们的功能和用途,但对于总线协议的详细时序、信号传输方式,以及不同版本之间的性能差异和兼容性问题,却很少有提及。这使得我在理解这些接口如何高效地连接各种外围设备时,总感觉隔靴搔痒。再比如,书中在“操作系统与硬件协同”这一章节,虽然强调了中断机制、DMA(直接内存访问)等概念的重要性,但对于中断向量表的构建,中断服务程序的编写流程,以及DMA控制器如何绕过CPU直接与内存和外设通信,这些具体的实现细节却略显模糊。我曾经尝试根据书中的提示,去理解一个简单的设备驱动程序是如何工作的,但由于书中在这方面的讲解过于概括,我无法找到切实的着力点。同样,在“存储器系统”的章节,书中提到了SRAM、DRAM、Flash等不同类型的存储器,并大致介绍了它们的性能特点,但对于存储器的层次结构(如CPU缓存、主内存、外接存储),缓存一致性问题,以及如何通过内存控制器优化数据访问效率,这些内容并没有得到充分的探讨。我本期望这本书能带领我探索微型计算机内部庞大而精密的“神经系统”,了解数据的流动路径,硬件资源的分配机制,但目前看来,它更像是展示了一张地图,却未曾深入标注每一条道路的细节。

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