計算機USB係統原理及其主/從機設計

計算機USB係統原理及其主/從機設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

出版者:北京航空航天大學齣版社
作者:馬偉
出品人:
頁數:294
译者:
出版時間:2004-1
價格:29.50元
裝幀:
isbn號碼:9787810773812
叢書系列:
圖書標籤:
  • 計算機係統
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  • 硬件設計
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  • 電子工程
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  • 協議分析
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具體描述

深入解析現代通信與計算的基石:《網絡協議棧與嵌入式係統優化實踐》 圖書簡介 本書是一本麵嚮高階工程師、係統架構師以及對底層通信機製和高效能嵌入式係統設計有深度需求的讀者的專業技術著作。它旨在提供一個全麵、深入且極具實踐指導意義的框架,用以理解和掌握現代計算機網絡協議棧的內部工作機製,並結閤前沿的嵌入式係統優化策略,實現軟硬件協同設計的最優解。 第一部分:網絡協議棧的深度剖析與性能調優 (The Deep Dive into Network Protocol Stacks) 本書的開篇便著眼於網絡通信的底層邏輯,但視角並非停留在協議的錶麵定義,而是深入到操作係統的內核層麵,探討協議棧是如何在實際硬件和軟件環境中被實現的、如何被調度的,以及如何進行性能瓶頸的挖掘與消除。 1.1 現代操作係統內核中的網絡子係統結構 我們將詳細剖析主流操作係統(如Linux和類Unix環境)中TCP/IP協議棧的內部架構。這包括但不限於:Socket層的抽象與係統調用開銷分析、內核中數據包在不同層次間的傳遞路徑(Zero-Copy技術探討)、網絡緩衝區(如`sk_buff`在Linux中的演變)的管理與內存分配策略。重點分析上下文切換在網絡I/O密集型任務中的影響,並介紹如何通過內核參數調整(如`sysctl`配置)來適應高吞吐量場景。 1.2 TCP/IP協議的高級特性與擁塞控製算法詳解 在傳輸層,本書將超越標準的TCP協議流程講解,深入研究現代網絡環境下的關鍵演進: 擁塞控製算法的迭代與比較: 詳細對比CUBIC、BBR (Bottleneck Bandwidth and Ranging) 以及其他新興算法(如Reno、Vegas)的數學模型、實現原理及其在不同網絡拓撲(高延遲、高帶寬等)下的性能錶現。我們將提供源碼級的分析,展示這些算法如何在內核中被集成和激活。 連接管理與Keep-Alive機製的細微差彆: 探討FIN/ACK握手序列的優化,以及在微服務架構中,如何閤理配置Keep-Alive超時參數以平衡資源占用和連接存活率。 QUIC協議棧的架構解析: 鑒於HTTP/3的興起,本書將專門闢章介紹基於UDP的QUIC協議如何解決瞭TCP的隊頭阻塞問題。重點分析其在用戶空間(Userspace)或內核旁路(Kernel Bypass)中的實現方案,以及如何利用0-RTT重連機製提升應用層響應速度。 1.3 數據包捕獲與延遲分析的實戰技術 理論分析必須輔以精確的測量。本部分提供一係列高級調試技術: 硬件時間戳與PTP同步: 如何利用NIC(網絡接口卡)的硬件時間戳功能,消除軟件定時誤差,實現納秒級的精確延遲測量。 eBPF/XDP在數據包預處理中的應用: 詳細介紹eBPF(擴展的伯剋利數據包過濾器)和XDP(eXpress Data Path)如何允許在數據包到達內核核心處理邏輯之前進行高效過濾、重定嚮和修改,從而顯著減輕CPU負載,並實現高性能的網絡負載均衡或安全策略。 第二部分:嵌入式係統的高效能設計與資源受限環境優化 (High-Performance Design in Resource-Constrained Environments) 第二部分將視角轉嚮嵌入式和邊緣計算平颱,討論如何在內存、計算能力和功耗嚴格受限的環境下,構建穩定、快速的軟件棧。 2.1 實時操作係統(RTOS)與調度策略的深入研究 本書將聚焦於嵌入式係統對確定性(Determinism)的需求,區彆於通用操作係統: 內核調度器對比與選擇: 深入分析FreeRTOS、Zephyr、VxWorks等主流RTOS的調度機製(如優先級繼承、死鎖避免算法)。我們將重點討論如何配置上下文切換的粒度,以最小化中斷延遲。 中斷處理與上下文保存: 詳細分析硬件中斷(IRQ)進入和返迴時CPU寄存器和堆棧的保存與恢復過程。提供優化中斷服務例程(ISR)長度和復雜度的實用準則。 內存管理在嵌入式中的挑戰: 探討固定分區分配(Partition Allocation)、內存池(Memory Pooling)與外部碎片(External Fragmentation)的對抗策略。特彆關注對緩存一緻性(Cache Coherency)的考慮,以及如何通過內存映射(MMIO)優化設備寄存器訪問速度。 2.2 低功耗設計與係統級能效優化 對於移動和物聯網設備,能耗是核心設計指標。本書提供從硬件到軟件的完整功耗優化流程: 動態電壓與頻率調節(DVFS): 探討操作係統如何與CPU/GPU的電源管理單元(PMU)接口,根據實時負載動態調整工作頻率,實現性能與功耗的平衡。 睡眠模式與喚醒源管理: 精確識彆和配置不同深度的睡眠模式(如Stop Mode, Standby Mode),並分析喚醒源的去抖動(Debouncing)設計,確保快速且準確地從低功耗狀態恢復。 代碼執行效率的指令級優化: 側重於利用目標架構(如ARM Cortex-M/A係列)的特定指令集(如SIMD/NEON)進行數據並行處理,減少循環次數,從而在完成相同工作量的同時縮短高功耗運行時間。 2.3 嵌入式驅動模型與硬件抽象層(HAL)的健壯性設計 高效的驅動程序是係統性能的咽喉。本書將剖析如何設計齣既能快速響應硬件事件,又易於移植和維護的驅動模型: DMA(直接內存訪問)的深度應用: 詳細講解DMA請求的配置、鏈錶模式的使用,以及如何在不占用CPU資源的情況下,高效地在外設和內存之間傳輸大數據塊,特彆是在SPI、I2C和高速ADC接口上的應用。 設備樹(Device Tree)在啓動流程中的作用: 闡釋DT是如何為操作係統內核提供精確的硬件資源描述,以及如何利用它來優化設備初始化順序和資源映射。 總結 《網絡協議棧與嵌入式係統優化實踐》並非一本基礎入門教材,而是為尋求突破係統性能瓶頸的專業人士準備的進階指南。它將理論的嚴謹性與工程實踐的復雜性相結閤,幫助讀者構建齣在現代數據中心和邊緣計算設備中都能穩定、高效運行的下一代計算與通信基礎設施。掌握本書內容,意味著您將能夠從零開始,設計和調優復雜係統的核心功能模塊。

作者簡介

目錄資訊

讀後感

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我是一名剛剛接觸計算機硬件設計的學生,對於那些復雜的電子元器件和係統架構總是感到有些畏懼,但同時又充滿瞭強烈的求知欲。當我在書店看到《計算機USB係統原理及其主/從機設計》這本書時,我的眼睛立刻亮瞭。USB接口是現代計算機中最常見的接口之一,幾乎所有的外圍設備都離不開它,所以我想深入瞭解它的工作原理,這對我未來的學習和職業發展都會非常有益。我希望這本書能從最基礎的概念講起,用通俗易懂的語言解釋USB的各種術語,比如“主機”、“設備”、“端點”、“管道”、“令牌包”、“數據包”等等。我特彆期待書中能夠配有很多精美的插圖和示意圖,能夠清晰地展示數據在USB總綫上傳輸的過程,以及主機和設備之間是如何進行通信的。關於“主/從機設計”的部分,我希望它能教會我如何理解主機和設備之間的關係,以及它們是如何協同工作的,比如主機是如何發現並配置連接的設備的,設備又是如何響應主機的請求的。如果書中能提供一些簡單的USB設備(比如一個簡單的LED控製器)或USB主機的設計思路和實現示例,那對我來說就太有幫助瞭,我希望能通過學習這本書,掌握構建和理解USB係統的基本能力,能夠自信地去探索更深入的計算機硬件知識。

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這本書的名字聽起來就讓我充滿瞭好奇心,我本身就對計算機硬件和底層原理非常感興趣,尤其是USB這種無處不在的接口技術。我總是覺得,瞭解這些基礎技術是如何工作的,就像是掌握瞭一把解鎖更深層次計算機知識的鑰匙。每次看到電腦後麵那些五顔六色的插口,我都會想,它們背後到底發生瞭什麼?數據是如何傳輸的?又是如何與主機溝通的?這本書的標題,尤其是“係統原理”和“主/從機設計”這兩個詞,直接擊中瞭我的興趣點,讓我感覺這本書會非常深入地講解USB是如何構成一個完整係統的,以及在這個係統中,主機和設備之間是如何扮演各自角色的,這對我來說是極具吸引力的。我特彆期待能夠學習到USB協議的具體細節,比如它如何實現即插即用,如何進行錯誤校驗,以及不同版本的USB在性能和功能上有什麼區彆。而且,對“主/從機設計”的關注,讓我認為這本書不會僅僅停留在接口的定義上,而是會深入到驅動程序、總綫仲裁、設備枚舉等更復雜的概念。我希望它能提供一些清晰的圖示和實際的電路分析,讓我能夠直觀地理解那些抽象的原理。如果書中能包含一些經典的USB應用案例分析,或者是一些常見問題的排查方法,那就更完美瞭,這對於我將來在實際工作中遇到類似問題時,會有很大的幫助。我對於這本書能夠提供紮實的理論基礎,同時又不乏實踐指導的期望非常高,相信它會成為我學習USB技術的寶貴資源。

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我是一名在讀研究生,研究方嚮是嵌入式係統與物聯網。在我的研究項目中,經常需要與各種外圍設備進行通信,而USB接口作為一種廣泛應用的通信接口,其穩定性和高效性對我的項目至關重要。《計算機USB係統原理及其主/從機設計》這本書名,讓我看到瞭解決我在USB通信方麵遇到的技術挑戰的希望。我希望這本書能夠提供比一般教科書更深入的講解,不僅僅停留在API層麵,而是能夠深入到USB協議棧的內部工作原理。我特彆期待書中能夠詳細闡述USB協議的精髓,包括它如何實現高帶寬、低延遲的傳輸,以及如何保證數據傳輸的可靠性。對於“主/從機設計”部分,我希望能深入理解主機和設備之間的動態交互過程,包括設備枚舉、地址分配、配置和數據傳輸的整個流程。我想瞭解主機控製器(Host Controller)是如何管理USB總綫上的多個設備,以及設備端控製器(Device Controller)是如何響應主機的請求,並進行數據收發的。如果書中能提供一些關於USB性能優化的技巧,或者在實際項目中如何選擇閤適的USB控製器和外設,那將對我的研究非常有價值。我希望這本書能夠幫助我建立起對USB係統更全麵的認識,從而能夠更有效地設計和優化我的嵌入式係統,解決復雜的通信問題。

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我是一名軟件開發者,主要負責開發與PC端進行通信的驅動程序。在工作中,我經常需要處理USB接口的數據傳輸,但對於USB協議的具體細節以及主機和設備之間的交互邏輯,我常常感到有些力不從心。很多時候,我們隻是停留在API層麵,對於底層發生的事情知之甚少,這導緻在遇到一些疑難雜癥時, debugging 過程異常艱難。《計算機USB係統原理及其主/從機設計》這本書的標題,正是我在工作中一直尋找的答案。我希望這本書能夠詳細講解USB協議的各個方麵,包括它如何實現熱插拔,如何進行設備枚舉和地址分配,以及各種傳輸模式(中斷、批量、同步、控製)的實現原理。特彆是“主/從機設計”部分,我期望它能夠深入闡述主機和設備之間的通信模式,主機是如何發送命令、接收數據,設備又是如何響應主機請求、上報狀態和傳輸數據的。如果書中能提供一些關於USB協議棧的源碼分析,或者一些實用的USB調試工具的使用指南,那將對我非常有幫助。我希望通過閱讀這本書,能夠更深入地理解USB通信的內在機製,從而能夠更高效地編寫和調試驅動程序,解決實際工作中遇到的各種USB相關問題。

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作為一名資深的嵌入式開發工程師,我一直在尋找能夠係統性梳 যথার্থUSB係統設計細節的資料,而這本書的標題《計算機USB係統原理及其主/從機設計》無疑引起瞭我的極大關注。在我的日常工作中,USB接口的調試和集成是傢常便飯,但很多時候,我們隻是停留在API調用層麵,對於底層的通信協議和硬件交互知之甚少。這導緻在遇到一些疑難雜癥時,往往束手無策,隻能憑藉經驗和運氣去摸索。這本書明確指齣瞭“係統原理”和“主/從機設計”,這正是我急需彌補的知識短闆。我希望這本書能夠詳細解析USB協議的各個層麵,從物理層信號的傳輸,到數據鏈路層的幀結構和傳輸方式,再到USB事務(Transaction)的構成和管理,以及主機控製器(Host Controller)和設備控製器(Device Controller)各自的職責和實現。尤其對於“主/從機設計”的闡述,我期待能夠深入瞭解USB主機如何枚舉設備,如何分配帶寬,如何處理中斷和輪詢,以及設備端如何響應主機的命令,如何管理自身的端點(Endpoint)和管道(Pipe)。如果書中能提供一些實際的硬件設計參考,例如USB接口的物理實現,或者主機控製器和設備控製器的關鍵電路模塊講解,那將是錦上添花。我非常看重這本書能夠幫助我建立起一個清晰、完整的USB係統模型,從而在未來的開發中,能夠更自信、更有效地進行USB設備的設計、調試和優化。

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我是一個對計算機底層技術有著濃厚興趣的業餘愛好者,尤其喜歡鑽研那些看似簡單卻蘊含深刻原理的技術,USB接口便是其中之一。每次連接一個USB設備,我都會好奇它背後究竟發生瞭什麼,數據是如何被打包、傳輸、解碼的。《計算機USB係統原理及其主/從機設計》這個書名,正是精準地抓住瞭我的關注點。我希望這本書能夠從淺入深地介紹USB的工作原理,用通俗易懂的語言解釋USB協議的各個組成部分,比如令牌包、數據包、握手包等等。我尤其期待書中能詳細闡述“主/從機設計”,我希望理解在USB通信中,主機是如何扮演“發號施令者”的角色,而設備又是如何成為“忠實執行者”的。我希望書中能夠清晰地展示USB總綫上的數據流嚮,以及主機和設備之間是如何通過一係列的握手和確認來保證數據傳輸的可靠性。如果書中能夠包含一些USB設備的分類和各自的工作特點,例如HID(人機接口設備)、Mass Storage(大容量存儲設備)等,那就更好瞭,這樣我可以更直觀地理解不同設備在USB係統中的角色和功能。這本書能夠幫助我揭開USB接口神秘的麵紗,讓我對計算機硬件的理解更上一層樓。

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我是一名對計算機底層技術充滿熱情的技術愛好者,平時喜歡自己動手搭建一些小項目,或者對一些現有的技術進行二次開發。USB接口作為連接各種外設的通用接口,其內部的運行機製一直是我非常好奇的地方。我總覺得,要真正理解一個係統,就必須瞭解它的“血管”和“神經”是如何工作的,《計算機USB係統原理及其主/從機設計》這個書名,準確地描述瞭我想要探索的方嚮。我希望這本書能夠深入講解USB協議的層次結構,從物理層的電氣特性,到數據傳輸的幀格式,再到枚舉、配置、數據傳輸等一係列流程。特彆是“主/從機設計”這個側重點,我非常有興趣瞭解主機(Host)和設備(Device)之間是如何通過一套嚴格的協議進行交互的。我想知道主機是如何作為總綫管理者,分配時序和帶寬的,以及設備又是如何把自己“介紹”給主機的。書中如果能包含一些對USB控製器芯片(如OHCI, UHCI, EHCI, XHCI等)的原理性介紹,或者對USB設備描述符(Descriptor)的詳細解析,那就再好不過瞭。我希望能從中學習到如何設計一個簡單的USB設備,或者如何更好地理解和利用現有的USB設備。這本書能夠幫助我從“使用者”變成一個更懂“製造者”的角色,對於我進行更深度的技術探索和項目實踐,意義重大。

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作為一名對計算機硬件原理充滿熱情的技術愛好者,我一直渴望深入瞭解像USB這樣無處不在的技術。這本書的標題《計算機USB係統原理及其主/從機設計》立刻吸引瞭我,因為它承諾不僅講解“原理”,還關注“設計”。我尤其對“主/從機設計”這一部分感到興奮,因為我知道任何復雜的係統都需要清晰的角色分工纔能高效運作。我希望這本書能夠詳細解釋USB協議的各個層麵,從物理層的電信號傳輸,到邏輯層的各種數據包(令牌包、數據包、握手包、錯誤包)的格式和含義。我期待書中能夠深入剖析USB主控製器(Host Controller)的架構和工作流程,包括它如何進行枚舉、如何分配帶寬、如何處理中斷和批量傳輸,以及設備端控製器(Device Controller)又是如何響應主機指令,管理自身的端點(Endpoint)和管道(Pipe)。如果書中能夠提供一些典型的USB設備(如存儲設備、打印機)的內部工作原理分析,或者一些USB主機接口(如OHCI, UHCI, EHCI, XHCI)的演進和設計特點,那就更完美瞭。我希望通過這本書,能夠更清晰地理解USB是如何實現其通用性和靈活性,並且能夠為我將來進行相關的硬件設計或軟件開發打下堅實的基礎。

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作為一個對計算機係統底層運作機製充滿好奇心的學生,我一直以來都對各種接口技術感到著迷,而USB無疑是其中最常用也最重要的一個。我總覺得,要真正理解計算機是如何工作的,就必須瞭解數據是如何在各個組件之間流動的,《計算機USB係統原理及其主/從機設計》這個書名,正是精準地擊中瞭我的興趣點。我希望這本書能夠從最基礎的USB協議規範開始,詳細介紹USB的物理層、數據鏈路層、事務層等各個方麵的細節。我尤其關注“主/從機設計”這個概念,因為它暗示瞭USB通信的核心是一種明確的主導者和響應者之間的關係。我迫切想知道,在USB的世界裏,主機是如何扮演“指揮官”的角色,分配資源,控製流程,而設備又是如何扮演“執行者”,響應指令,提供服務。我希望書中能夠有清晰的圖示來展示USB數據包的結構,包括包類型、標識符、數據載荷以及CRC校驗等關鍵信息。如果能夠有關於USB設備描述符(Device Descriptors)的深入講解,比如配置描述符、接口描述符、端點描述符等,那更是我所期待的,因為這涉及到設備如何嚮主機“推銷”自己。我期望這本書能夠為我構建一個清晰、係統的USB工作模型,讓我能夠理解USB接口的強大之處,並為我將來深入學習更復雜的計算機係統設計打下堅實的基礎。

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我是一傢小型科技公司的硬件工程師,我們公司開發的産品經常會涉及到USB接口的集成,用來與電腦或其他設備進行數據交換。雖然我們團隊在産品開發過程中已經積纍瞭一些USB接口的使用經驗,但對於其深層次的係統原理和主從機設計模式,我們仍然感到有些模糊。有時候,在調試USB通信時,會遇到一些難以解釋的現象,比如數據傳輸不穩定、設備頻繁掉綫等問題,而這些問題往往與我們對USB底層協議理解的不足有關。《計算機USB係統原理及其主/下機設計》這個書名,恰好點齣瞭我們目前迫切需要解決的痛點。我希望這本書能夠係統性地講解USB的總綫架構、傳輸模式(中斷、批量、同步、控製),以及主機控製器和設備控製器之間的通信機製。特彆是“主/從機設計”這一部分,我期待它能詳細闡述主機如何管理USB總綫,包括設備枚舉、地址分配、電源管理等,以及設備如何響應主機的命令,如何上報自己的能力和數據。如果書中能提供一些實際的USB協議棧的實現原理分析,或者是一些典型USB設備(如存儲設備、通信設備)的設計思路,那將對我們的産品開發非常有指導意義。我希望通過閱讀這本書,能夠提升我們團隊在USB接口設計和調試方麵的專業能力,能夠更有效地解決實際工程問題,並為未來的産品創新提供堅實的技術支撐。

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