嵌入式 Linux 设计与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:邹思轶

出品人:

页数:396

译者:

出版时间:2002-1

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787302049791

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式Linux
• Linux系统
• 嵌入式系统
• ARM
• 开发板
• 驱动程序
• 应用开发
• 系统编程
• 硬件设计
• 实践教程

深入探索现代操作系统内核与驱动开发：面向高性能计算的实践指南 本书聚焦于操作系统内核的底层机制、高效的系统编程范例，以及如何针对特定硬件架构优化软件性能，旨在为资深开发者和系统架构师提供一套详尽且前沿的实践蓝图。 本书并非侧重于特定嵌入式平台的应用部署或固件移植，而是将目光投向操作系统的核心——内核的构建、调度算法的精妙实现、内存管理的高级策略，以及如何利用现代处理器的特性编写出高吞吐、低延迟的代码。我们致力于揭示操作系统如何将复杂的硬件资源抽象化，并以最高效的方式分配给用户空间的应用。 第一部分：现代操作系统内核的理论基石与架构剖析 本部分将系统地解构一个现代、类Unix操作系统的核心组件，深入探究其内部工作原理，为后续的高级实践打下坚实的理论基础。 第一章：内核态与用户态的边界与切换机制 特权级与保护环： 详细分析CPU的运行模式（如Ring 0到Ring 3）及其在安全隔离中的作用。探讨不同指令集架构（如x86-64和ARMv8）下的特权级实现差异。 系统调用接口（Syscall）： 深入讲解系统调用陷阱（Trap）的工作流程，包括上下文的保存与恢复、参数传递的约定，以及系统调用表的查找与执行。我们将对比软件中断（Software Interrupt）和快速系统调用（Fast Syscall）的不同实现策略及其性能影响。 上下文切换的开销分析： 不仅描述切换的步骤，更侧重于分析TLB（Translation Lookaside Buffer）失效、Cache污染等因素带来的实际性能损耗，并介绍预取和优化技术。 第二章：进程与线程的生命周期管理 任务调度器深度剖析： 重点研究公平调度（CFS，Completely Fair Scheduler）的核心算法，包括虚拟运行时（vruntime）的计算、红黑树的维护以及调度器如何确保时间片的公平分配。我们将对比分析优先级继承、优先级天花板协议在实时系统中的应用。 线程模型与内核结构体： 详述进程描述符（Task Structure）中的关键字段，以及内核如何通过`struct thread_info`管理线程特定的状态。对比用户级线程与内核级线程的实现差异及其在并发模型中的选择。 栈的布局与溢出防护： 探讨内核栈和用户栈的隔离机制，以及栈保护（Stack Smashing Protection, SSP）在内核编译选项中的启用和工作原理。 第三章：内存管理单元（MMU）的精细控制 页表结构与地址翻译： 详细阐述多级页表（如四级或五级页表）的构建，以及硬件TLB在加速地址翻译中的角色。我们将用实例演示虚拟地址到物理地址的完整转换路径。 内存分配器的演进与优化： 深入分析内核的伙伴系统（Buddy System）如何管理物理内存，以及slab/slub/slob分配器如何高效地服务于小对象的内核数据结构。对比不同分配器在内存碎片化控制方面的优劣。 内存映射与按需调页： 详细解读`mmap()`系统调用的底层实现，重点关注缺页中断（Page Fault）的处理流程，包括写时复制（Copy-on-Write, CoW）和零页的延迟分配策略。 第二部分：高性能I/O与并发控制的高级技术 本部分专注于如何设计和实现高效的数据传输机制和同步原语，以应对高并发和数据密集型应用的需求。 第四章：中断与延迟敏感型编程 中断处理路径的优化： 区分硬中断（Hardware Interrupt）和服务例程（ISR）与软中断（SoftIRQ）/Tasklet/Workqueue。讨论如何将耗时的操作从ISR中及时解耦，以最小化中断延迟。 自旋锁、互斥锁与屏障指令： 深入解析自旋锁在多核环境下的实现，包括使用`__sync_lock_test_and_set`等原子操作。详细解释内存屏障（Memory Barrier）对编译器优化和CPU乱序执行的干预，确保数据可见性。 无锁（Lock-Free）数据结构设计： 介绍基于CAS（Compare-and-Swap）操作构建队列、栈等并发数据结构的设计原理，并探讨ABA问题及其解决方案。 第五章：现代I/O子系统的革新 异步I/O框架的原理： 全面解析AIO（如Linux的io_uring）的设计思想，对比传统POSIX I/O的阻塞模型。重点分析io_uring如何通过共享环形缓冲区减少内核上下文切换的开销。 文件系统层面的性能调优： 探讨缓存策略（如页缓存、缓冲区缓存）对I/O性能的影响。分析延迟敏感型文件系统（如ext4的journaling）与高性能、低延迟文件系统（如XFS或ZFS）在写入一致性与吞吐量上的权衡。 网络协议栈的深入优化： 剖析TCP/IP协议栈在内核中的处理流程。介绍零拷贝技术（如sendfile/splice）的应用场景，以及如何通过内核模块绕过部分协议栈处理以降低网络延迟。 第三部分：系统性能分析与内核模块化开发 掌握了内核理论后，本部分提供实用的工具和方法论，用以诊断性能瓶颈、实现自定义内核功能，并确保系统在压力下的稳定性。 第六章：系统级性能分析工具链 DTrace/BPF的动态追踪能力： 详尽介绍eBPF（扩展的伯克利数据包过滤器）作为一种安全、可编程的内核探针技术。展示如何利用eBPF编写自定义探针来监控系统调用频率、函数执行时间，而无需修改内核源码或重启系统。 延迟分析与抖动测量： 介绍如何利用`ftrace`等工具追踪特定事件（如上下文切换、中断延迟）的实际耗时曲线，识别系统抖动的主要来源。 火焰图与调用栈可视化： 教授如何使用`perf`工具采集采样数据，并通过火焰图直观地展示CPU时间消耗在哪些函数调用路径上，实现高效的代码热点定位。 第七章：可扩展的内核编程与模块化实践 内核模块的生命周期管理： 详细讲解模块的初始化（`module_init`）和清理（`module_exit`）函数，以及如何正确地使用内核API注册和注销驱动或文件系统。 并发安全的模块通信： 讨论在模块间或模块与用户空间通信时，如何利用内核信号量、工作队列和Netlink套接字实现安全的数据交换。 内核调试与故障排查： 介绍使用`printk`、Kernel Debugger (KDB/KGDB) 进行远程调试的技术。重点讲解如何设置Oops/Panic的报告机制，并分析内核崩溃转储（Crash Dump）的分析流程。 本书的特色在于其高度的实践导向性和对性能瓶颈的深入挖掘。它不提供简单的“如何做”的教程，而是追溯“为什么这样设计”的底层逻辑，是驱动工程师、系统程序员和底层架构师迈向精通现代操作系统内核的必备参考。

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