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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:Frank Vahid

出品人:

页数:303

译者:骆丽

出版时间:2004-9-1

价格:32.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787810774635

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式
• 计算机
• 开发技术
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• 单片机
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• C语言
• 硬件设计
• 软件开发
• 实时操作系统
• 物联网
• 电子工程
• 嵌入式Linux

深入探索现代计算的基石：微处理器架构与操作系统原理 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，剖析支撑现代信息技术运转的核心领域：微处理器架构与操作系统原理。我们聚焦于理解计算机系统如何在硬件层面高效地执行指令，以及如何在软件层面有效地管理和调度资源。 第一部分：微处理器架构的精妙世界 本部分将带您穿越数字逻辑的迷宫，揭示从硅片上的晶体管到复杂指令集之间的桥梁。我们不会停留在教科书式的概念介绍，而是深入探究当代主流处理器设计背后的关键决策与权衡。 1. 基础构建块与指令集设计（ISA）： 我们将从最基础的布尔代数和逻辑门开始，逐步构建算术逻辑单元（ALU）和寄存器堆。重点讨论指令集架构（ISA）的设计哲学，对比精简指令集计算机（RISC）与复杂指令集计算机（CISC）的优劣及其在不同应用场景中的适用性。深入分析操作码（Opcode）的编码、寻址模式的设计，以及如何通过优化的指令集来减少代码体积和提高执行效率。我们还将探讨现代RISC-V架构的开放性和可扩展性，分析其对未来计算范式可能产生的影响。 2. 流水线技术与指令级并行（ILP）： 现代高性能处理器之所以快速，核心在于流水线技术。我们将详细解析五级、七级乃至超深流水线的结构，剖析取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段的同步与异步操作。讨论数据依赖、控制依赖如何导致流水线停顿（Stall），并详细阐述解决这些问题的关键技术，如分支预测器（Branch Predictor）的设计——包括局部历史寄存器（BHT）和更复杂的混合预测器的工作机制。此外，还将深入讲解超标量（Superscalar）处理器的设计，如何通过多个执行单元并行处理指令流，以及指令窗口（Instruction Window）和乱序执行（Out-of-Order Execution, OoOE）的复杂调度逻辑。 3. 内存层级结构与缓存一致性： 理解程序性能的关键在于理解数据访问延迟。本书将详尽阐述多级缓存（L1, L2, L3）的设计原理，包括容量、延迟和关联度的权衡。重点剖析缓存映射策略（直映、全关联、组相联）的实现细节及其对命中率的影响。在多核系统中，缓存一致性协议（如MSI, MESI, MOESI）是保证数据正确性的基石。我们将通过具体的场景模拟，展示写操作如何触发缓存行的失效或更新，以及伪共享（False Sharing）问题在高性能计算中的体现和规避方法。 4. 虚拟化与特权模式： 探讨处理器如何通过硬件机制实现特权级别（Rings），区分用户态和内核态的隔离。深入研究硬件辅助的虚拟化技术（如Intel VT-x或AMD-V），分析Guest OS如何在Hypervisor的管控下运行，以及I/O虚拟化（如SR-IOV）如何提高虚拟环境下的性能。 第二部分：操作系统原理：资源管理的艺术 操作系统是连接应用软件与硬件资源的桥梁。本部分将聚焦于操作系统内核的设计、调度算法的精妙，以及如何安全、高效地管理共享资源。 1. 内核结构与系统调用： 分析单体内核（Monolithic Kernel）、微内核（Microkernel）和混合内核的结构差异、优势与设计取舍。详细剖析系统调用（System Call）的执行流程，包括用户态到内核态的上下文切换机制，以及系统调用接口的设计原则，确保安全性和模块化。 2. 进程与线程管理： 区分进程与线程的概念及其在现代操作系统中的实现。深入研究上下文切换（Context Switching）的开销和优化。重点剖析调度算法：从基础的先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF），到时间片轮转（Round Robin）的动态调整，再到保证实时性要求的优先级继承和多级反馈队列（MLFQ）的设计细节。讨论如何通过调度器来平衡系统的吞吐量和响应延迟。 3. 内存管理单元（MMU）与虚拟内存： 虚拟内存是现代操作系统的核心抽象。我们将详细解析分页（Paging）机制，包括页表结构（单级、多级、倒排页表）的实现，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻译中的作用。讨论缺页中断（Page Fault）的处理流程，以及页面置换算法（如OPT、LRU、FIFO）的实际应用与近似实现。此外，还将涵盖内存保护、内存映射（mmap）以及内核如何管理物理内存的分配与回收（如伙伴系统算法）。 4. 并发、同步与死锁： 多核时代的编程对同步机制提出了更高的要求。本书将详细讲解互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）和条件变量（Condition Variable）的底层实现原理，并分析其在不同场景下的适用性。深入探讨现代无锁（Lock-Free）编程技术，如使用原子操作（Atomic Operations）和CAS（Compare-and-Swap）指令来构建高性能并发数据结构。最后，对死锁的必要条件进行系统分析，并介绍检测、预防和避免死锁的有效策略。 5. I/O系统与文件系统： 探讨操作系统如何与外部设备进行交互。分析中断处理机制和直接内存访问（DMA）如何提高I/O效率，减少CPU干预。在文件系统方面，我们将剖析日志式文件系统（如Ext4, NTFS）的数据结构、事务机制，以及如何保证在系统崩溃后数据的完整性和一致性。重点解析文件系统的元数据管理、目录结构和数据块分配策略。 通过对这些核心模块的深入剖析，读者将能超越应用层面，真正理解计算机系统在底层是如何运行和协同工作的，为未来进行系统级优化、驱动开发或高级软件设计打下坚实的基础。

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我一直对物联网（IoT）领域抱有浓厚的兴趣，而嵌入式系统无疑是IoT的核心。这本书的出现，就像在我探索IoT的道路上点亮了一盏明灯。我尤其欣赏作者在介绍不同通信协议时的严谨性。无论是经典的UART、SPI、I2C，还是更现代的CAN、Ethernet，书中都对其工作原理、硬件接口和软件实现进行了详尽的描述。我记得有一章节专门讲解了低功耗设计，这对于电池供电的IoT设备来说至关重要。作者不仅介绍了各种低功耗模式，还深入分析了如何在软件层面优化功耗，比如如何合理地管理外设和CPU的休眠时间。书中给出的实际功耗测试结果和优化方案，更是让我大开眼界。此外，书中还涉及了传感器接口的设计，这对于采集环境数据、实现智能感知的功能来说不可或缺。作者详细介绍了不同类型传感器的选型、接口电路设计以及数据读取和处理的方法，让我对如何构建一个完整的IoT感知层有了清晰的认识。总而言之，这本书为我构建一个扎实的嵌入式技术基础提供了宝贵的资源，也让我对未来在IoT领域的创新充满了信心。

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我是一名业余爱好者，一直对DIY电子项目充满热情。这本书的出现，为我的DIY之路注入了新的活力。我最喜欢书中关于嵌入式硬件接口和外设驱动编写的部分。作者用非常通俗易懂的语言，讲解了各种硬件接口的工作原理，比如SPI、I2C等，并提供了清晰的电路连接图和示例代码。这让我能够轻松地将各种传感器、显示器等模块集成到我的项目中。书中关于底层驱动程序的编写，也让我受益匪浅。我学会了如何直接操作寄存器，如何编写可移植的驱动代码，以及如何使用HAL库来简化开发。我记得书中还介绍了一些常用的嵌入式开发板，比如STM32系列、ESP32系列等，并提供了相应的入门教程和项目示例。这些内容让我能够快速上手，并开始我的创作。这本书为我打开了一个全新的电子世界，让我能够将自己的创意变为现实。

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我是一名嵌入式系统测试工程师，一直在寻找一本能够帮助我深入理解系统底层，从而更有效地进行测试的书籍。这本书无疑为我提供了这样的视角。书中关于嵌入式系统可靠性测试的章节，让我受益匪浅。作者详细介绍了各种测试方法，比如单元测试、集成测试、系统测试，以及如何设计有效的测试用例来覆盖各种边界条件和异常场景。书中还涉及了嵌入式系统中的压力测试、稳定性测试和功耗测试等内容，并给出了具体的测试流程和评估指标。我特别欣赏书中关于故障注入测试的讲解，它让我了解到如何模拟硬件和软件故障，从而评估系统的鲁棒性。此外，书中还深入探讨了嵌入式系统的安全测试，比如如何防范常见的安全漏洞，以及如何进行代码审计和漏洞扫描。这本书帮助我从一个全新的角度审视嵌入式系统，让我能够设计出更全面、更有效的测试方案。

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我一直对实时性要求极高的控制系统非常感兴趣，比如工业自动化、航空航天等领域。这本书在这方面的内容，让我眼前一亮。书中关于实时操作系统（RTOS）选择和配置的讲解，非常具有指导意义。作者根据不同的应用场景，分析了FreeRTOS、RT-Thread等主流RTOS的特点和优劣，并给出了详细的选型建议。我尤其喜欢书中关于实时任务调度策略的讨论，比如优先级抢占式调度、时间片轮转调度等，以及这些策略对系统实时性能的影响。书中还深入讲解了中断延迟、任务切换开销等影响实时性的关键因素，并给出了相应的优化方法。此外，书中还涉及了分布式实时控制系统的一些设计思路，比如如何保证多节点之间的同步和通信，以及如何处理系统故障时的容错和恢复。这本书不仅让我对实时系统的设计有了更深入的理解，也为我未来参与相关项目提供了宝贵的知识储备。

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我是一名对嵌入式系统在人工智能（AI）和机器学习（ML）领域的应用感兴趣的研究生。这本书在这方面的讲解，让我眼前一亮。书中关于嵌入式AI芯片的介绍，让我了解到不同AI加速器的架构和性能特点，以及它们在功耗和计算能力方面的权衡。我特别喜欢书中关于边缘AI模型部署的章节，作者详细介绍了如何将训练好的AI模型进行量化、剪枝和优化，使其能够在资源受限的嵌入式设备上运行。书中还提供了许多实用的工具和框架，比如TensorFlow Lite、PyTorch Mobile等，并给出了详细的使用教程。我记得书中还涉及了图像识别、语音识别等典型AI应用的嵌入式实现，并提供了完整的代码示例。这本书不仅让我对嵌入式AI的最新发展有了更深入的了解，也为我未来的研究方向提供了重要的启示。

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我是一名在校学生，正在为我的毕业设计项目寻找技术支撑，而这本书正好填补了我知识上的空白。我最欣赏的是书中关于嵌入式Linux系统构建的部分。作者从交叉编译工具链的搭建开始，一步步引导我了解如何为目标硬件平台编译Linux内核和根文件系统。这个过程对于初学者来说往往是充满挑战的，但书中清晰的步骤和详细的命令解释，让我能够克服重重困难。书中关于设备驱动模型（Device Driver Model）的讲解也让我受益匪浅。我了解到如何编写通用的设备驱动，以及如何将这些驱动集成到Linux内核中。这对于我后续开发自定义硬件设备的驱动程序至关重要。而且，书中还介绍了一些常用的嵌入式Linux开发工具，比如BusyBox、U-Boot等，并详细说明了它们的作用和使用方法。我记得其中关于网络配置和应用程序开发的部分，作者也提供了非常实用的技巧和代码示例。这本书为我完成毕业设计项目奠定了坚实的基础，让我对接下来的开发充满了信心。

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这本书的封面设计就充满了专业感，深邃的蓝色背景上，一个抽象的电路板图案若隐若现，仿佛诉说着嵌入式世界的无限可能。我刚拿到这本书时，就被它厚实的纸张和精美的印刷所吸引，这无疑是为深度阅读准备的。翻开第一页，没有冗长的序言，而是直接切入主题，这种开门见山的方式让我觉得作者非常尊重读者的时间和求知欲。书中引用的案例似乎都来自于实际的工业应用，而非简单的理论模型，这对于我这样希望学以致用的人来说，简直是太重要了。我特别喜欢其中关于实时操作系统（RTOS）的部分，作者用非常形象的比喻解释了任务调度、中断处理等核心概念，即使是对RTOS不太熟悉的初学者也能很快理解。而且，书中并没有回避一些棘手的技术细节，比如在内存管理方面，作者详细阐述了堆、栈的区别，以及不同内存分配策略的优缺点，并辅以代码示例，让我对如何高效地利用嵌入式系统的有限资源有了更深刻的认识。总的来说，这本书不仅仅是知识的堆砌，更像是为我量身打造的一场引人入胜的探索之旅，让我对嵌入式系统的奥秘充满了好奇，迫不及待地想要深入研究。

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作为一个对硬件底层原理充满好奇的读者，我总是希望能找到一本能够深入讲解嵌入式系统“灵魂”的书籍。这本书无疑满足了我的期待。它不仅仅停留在概念层面，而是深入到微控制器（MCU）的内部结构。我非常喜欢作者关于ARM Cortex-M系列处理器架构的讲解，它清晰地阐述了流水线、寄存器、内存映射等关键概念，让我对CPU如何执行指令有了直观的理解。书中对GPIO、ADC、DAC等外设的详细解析，更是让我能够理解如何通过软件控制硬件。我特别注意到作者在讲解中断控制器时，用了大量的图示来解释中断向量表、中断优先级以及中断嵌套等复杂概念，这对于我这样一个在中断处理方面遇到过不少困惑的人来说，简直是及时雨。此外，书中还涉及了嵌入式系统中的一些经典算法和数据结构的应用，比如在状态机设计、滤波算法等方面的讲解，让我看到了理论知识如何在实际系统中落地。这本书不仅让我对硬件有了更深的敬畏，也让我对如何编写高效、稳定的底层代码有了新的认识。

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我是一名对嵌入式系统开发流程和项目管理感兴趣的初学者。这本书的出现，为我提供了一个系统性的学习框架。书中关于嵌入式系统开发生命周期的介绍，让我对整个开发过程有了清晰的认识。从需求分析、方案设计，到原型开发、软件编写、硬件集成，再到测试、部署和维护，每一个环节都被详细地阐述。我尤其欣赏书中关于敏捷开发在嵌入式项目中的应用。作者结合实际案例，讲解了如何将敏捷的理念融入到嵌入式开发的流程中，以提高开发效率和项目成功率。书中还涉及了嵌入式项目中的版本控制、配置管理和文档管理等内容，这些对于保证项目的质量和可维护性至关重要。我记得书中还提供了一些关于团队协作和沟通的技巧，这对于初创团队尤其有帮助。这本书不仅让我掌握了嵌入式系统的技术知识，也让我对如何高效地管理和执行一个嵌入式项目有了更深的理解。

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我是一名嵌入式软件工程师，在日常工作中经常会遇到各种性能优化和稳定性挑战。这本书的出现，就像一位经验丰富的老前辈，为我提供了许多宝贵的经验和见解。我特别欣赏书中关于代码优化和调试技巧的章节。作者深入分析了不同编译器选项对生成代码性能的影响，并给出了一些在汇编层面进行优化的实用建议。书中还详细介绍了如何利用示波器、逻辑分析仪等硬件工具来辅助调试，以及如何通过代码插桩、性能计数器等方法来定位性能瓶颈。我记得其中关于异常处理和故障恢复的章节，作者结合实际案例，阐述了如何设计健壮的错误处理机制，以应对各种不可预知的硬件和软件故障。这本书并没有回避嵌入式系统中的一些“疑难杂症”，而是直面这些问题，并给出了切实可行的解决方案。它让我意识到，真正优秀的嵌入式系统设计，不仅在于功能的实现，更在于其稳定性、可靠性和可维护性。

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