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☆☆☆☆☆

出版者:Lakeview Research

作者:Jan Axelson

出品人:

页数:380

译者:

出版时间:2007-12-01

价格:USD 39.95

装帧:Paperback

isbn号码:9781931448062

丛书系列:

图书标签:

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书名：深入理解现代计算机系统架构与性能优化 简介： 本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，剖析当代复杂计算机系统的核心架构、运行机制以及实现高性能的优化策略。我们聚焦于从硬件底层到高级软件层面的集成视角，强调理论知识与实践应用的紧密结合。本书不涉及特定串行通信协议的详细实现，而是将重点放在构建、分析和调优现代多核、异构计算环境下的软件系统上。 第一部分：现代处理器架构的演进与深入 第一章：超越摩尔定律：现代CPU核心设计 本章将系统地回顾半导体技术的发展历程，并重点分析当前主流CPU（如x86-64和ARM架构）在面对能效墙和指令级并行性瓶颈时所采取的设计策略。我们将详细探讨乱序执行引擎的内部工作原理，包括指令解码、重排序缓冲（ROB）、加载/存储队列（LSQ）以及寄存器重命名机制。读者将理解指令级并行（ILP）如何通过分支预测器（如TAGE或Perceptron算法）和推测执行来实现性能飞跃，以及这些机制对程序正确性和功耗的影响。 第二章：内存层次结构的精妙平衡 高效的内存访问是现代高性能计算的基石。本章将深入解析多级缓存（L1, L2, L3）的设计哲学，包括其容量、延迟和替换策略（如LRU、Pseudo-LRU及其变体）。我们将详细分析缓存一致性协议，特别是MESI、MOESI协议在多核系统中的运作机制，以及由此带来的伪共享（False Sharing）问题及其软件层面的规避方法。此外，我们还将介绍非均匀内存访问（NUMA）架构下，内存访问延迟差异对程序性能的关键影响，并阐述如何通过内存绑定（Memory Affinity）和NUMA感知调度来最大化带宽利用率。 第三章：异构计算的崛起与并行模型 随着通用CPU性能增长放缓，异构计算已成为主流。本章专注于GPU（图形处理器）和特定领域加速器（如FPGA、TPU）的架构特点。我们将详细解析SIMT（单指令，多线程）执行模型，并与传统多线程模型进行对比。重点内容包括CUDA/OpenCL编程模型下的线程组织（Grid, Block, Thread），内存模型（全局内存、共享内存、常量内存）的特性，以及如何有效管理数据在CPU主机内存和GPU设备内存之间的高速传输（如PCIe带宽限制与DMA）。 第二部分：操作系统内核与运行时环境 第四章：进程与线程管理的高级视角 本章将超越操作系统的基础概念，深入探讨现代调度器（如Linux CFS，Completely Fair Scheduler）的内部算法，分析其如何平衡交互式任务和批处理任务的需求。我们将详细研究轻量级进程（线程）的上下文切换开销，以及锁保护机制（如互斥锁、信号量、读写锁）在并发编程中的性能影响。重点将放在无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）的设计原理，如基于CAS（Compare-and-Swap）操作的原子操作的应用，以减少锁竞争带来的性能瓶颈。 第五章：虚拟内存与地址翻译的性能考量 虚拟内存是抽象和保护的基石，但其翻译过程引入了固有的延迟。本章将深入探讨页表结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理及其缓存效应。我们将分析大规模地址空间管理中的性能挑战，例如大规模页面映射带来的TLB Miss率增加，以及如何通过大页（Huge Pages）技术来缓解这一问题。此外，虚拟内存的I/O行为（如缺页中断的处理机制）及其对应用性能的潜在影响也将被详细剖析。 第六章：系统调用与上下文切换的性能开销 系统调用是用户空间与内核空间交互的唯一途径，其开销不容忽视。本章将分析系统调用过程中的“陷阱”（Trap）机制，以及参数传递、权限检查和上下文保存/恢复的完整流程。我们将对比不同系统调用模式的效率差异，并探讨如何通过用户空间库（如`glibc`的优化实现）或内核旁路技术（如eBPF的某些应用场景）来减少频繁的内核态切换对性能的负面影响。 第三部分：软件性能分析与优化技术 第七章：性能度量与Profiling工具的深度使用 “度量才能改进”。本章侧重于如何科学地度量程序性能。我们将详细介绍硬件性能计数器（PMC, Performance Monitoring Counters）的概念及其在x86架构中的寄存器结构。重点讲解使用`perf`、VTune等专业工具对程序进行采样分析（Sampling）和确定性分析（Tracing）的方法。读者将学会如何解读缓存命中率、分支预测错误率、指令周期比（CPI）等关键指标，从而精准定位性能瓶颈。 第八章：编译优化：从源代码到机器码的转换 编译器（如GCC, LLVM/Clang）在性能优化中扮演了至关重要的角色。本章将探讨高级优化标志（如`-O2`, `-O3`, `-flto`）背后的具体转换过程。我们将深入剖析循环展开（Loop Unrolling）、函数内联（Inlining）、向量化（SIMD/Auto-Vectorization）等关键优化技术，并解释数据布局对缓存友好性的影响。理解编译器的优化假设，是编写可被高效编译代码的前提。 第九章：并发编程中的同步与性能陷阱 本章回归到应用层并发编程，关注如何构建高效、无死锁的并发代码。我们将对比基于锁的同步、无锁编程、以及更高级的并行编程模型（如基于消息传递的Actor模型）。详细分析内存屏障（Memory Fences/Barriers）在跨处理器同步中的必要性，以及不同架构（如x86 vs ARM）下内存模型的差异对可见性和顺序性的影响。 第十章：I/O子系统与数据传输效率 现代应用往往受限于数据输入/输出速度。本章关注块设备I/O和网络I/O的性能优化。我们将分析操作系统中的I/O调度器（如Deadline, CFQ, BFQ）的工作原理，并探讨异步I/O（AIO, io_uring）如何通过减少内核参与和避免上下文切换来提升大规模并发I/O的吞吐量。在网络方面，我们将探讨零拷贝技术（Zero-Copy）和内核旁路技术（如DPDK）在高性能数据路径中的应用。 本书结构严谨，内容覆盖了从物理层到应用层软件优化的核心技术栈，为系统工程师、高性能计算开发者和高级软件架构师提供了一套扎实的理论框架和实用的性能调优工具箱。

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作为一名在硬件行业摸爬滚打多年的工程师，我深知串行通信的重要性，尽管它不像PCIe、USB3.0那样光鲜亮丽，但却是许多嵌入式系统、工业控制设备、调试接口不可或缺的“毛细血管”。《Serial Port Complete》这个名字，听起来就充满了“干货”，这正是我所需要的。我长期以来对于串行端口的认识，停留在“调用几个函数就能发送数据”的层面，但对于其背后的原理、各种接口标准的细微差别、以及在不同应用场景下的优化策略，始终感到模糊不清。我希望这本书能够彻底颠覆我对串行端口的固有认知，带我深入到问题的本质。我尤其期待书中能够详细讲解RS-232、RS-422、RS-485等接口标准的电气特性，包括电压电平、信号共模、差分传输等，并分析它们在不同工业环境下的适用性和限制。我需要了解UART（通用异步收发传输器）的核心工作原理，比如它的时序控制、波特率生成、校验机制，以及如何通过中断来提高效率。在实际项目中，我经常会遇到一些棘手的串行通信问题，例如数据传输的稳定性、时序同步、长距离传输的信号衰减等，我希望这本书能够提供详细的诊断方法和解决方案。例如，如何通过示波器分析信号质量，如何计算最佳的传输参数，如何选择合适的隔离器来应对强干扰环境。我更希望书中能够涉及一些高级话题，比如在实时操作系统（RTOS）下如何管理多个串行端口，如何实现高效的数据缓冲和传输，以及如何设计鲁棒的通信协议来应对各种异常情况。我希望《Serial Port Complete》能够让我不仅仅是“会用”串行端口，而是真正“理解”它，能够自信地解决各种复杂的串行通信挑战。

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在我看来，《Serial Port Complete》这本书的吸引力在于它承诺的“Complete”——完整性。在实际的工程开发中，我们经常会遇到各种各样看似“简单”却又无比棘手的通信问题，而串行端口通信无疑是其中一个典型。我之所以期待这本书，是因为我希望能从根本上理解串行端口的工作原理，而不是仅仅停留在API的调用层面。我希望书中能够详细阐述串行通信的物理层接口，比如RS-232、RS-422、RS-485等标准的电气特性和信号定义，以及它们在不同应用场景下的优缺点。我特别关注UART（通用异步收发传输器）的内部工作机制，包括发送和接收缓冲区的管理，时序信号的生成，以及各种数据位、停止位、校验位的具体含义和作用。在实际项目中，我常常需要处理一些复杂的数据传输场景，比如高位数的串口通信，或者在资源受限的嵌入式系统中如何高效地进行串口通信。我希望这本书能够提供一套行之有效的解决方案，例如讲解如何在Linux环境下使用termios接口进行精细的串口配置，如何在RTOS中实现中断驱动的串口通信以提高效率。我还希望书中能够包含一些关于串行通信调试的实用技巧，比如如何使用逻辑分析仪或示波器来捕捉和分析串口数据，如何根据数据链路层协议来定位通信故障。我期待《Serial Port Complete》能够带我走出串行通信的“迷宫”，让我能够自信地应对各种复杂的通信挑战。

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我对《Serial Port Complete》这本书的期待，主要源于我工作中遇到的一个反复出现但又难以彻底解决的问题：串行通信的稳定性与可靠性。在许多嵌入式项目以及工业自动化场景中，串行端口仍然是不可替代的通信方式。然而，我常常会因为对底层原理的理解不够深入，而在调试过程中陷入僵局。例如，当需要通过串口传输大量的二进制数据时，如何保证数据的完整性，如何处理通信过程中的错误，这些都让我感到头疼。我希望这本书能够像一本“秘籍”，揭示串行通信的底层奥秘。我非常期待书中能够详细讲解串行通信的各种参数，如波特率、数据位、停止位、奇偶校验等，并深入分析它们对通信效率和可靠性的影响。我希望能够理解UART（通用异步收发传输器）的内部结构和工作流程，包括它的发送/接收缓冲区、移位寄存器、时钟信号生成等。更重要的是，我希望这本书能够提供一套系统性的方法来应对实际开发中遇到的各种挑战。比如，如何设计健壮的通信协议，如何实现有效的错误检测与纠正机制，如何在高噪声环境下保证信号的完整性。我期待书中能够涉及硬件流控制（RTS/CTS）和软件流控制（XON/XOFF）的详细原理和应用，以及如何在不同的操作系统平台（如Windows、Linux）下进行高效的串口编程。此外，我也对多设备串行通信，如RS-485的应用场景和技术细节非常感兴趣。总而言之，《Serial Port Complete》是我希望能够深入学习串行端口技术，提升自身工程能力的重要学习资源。

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在接触《Serial Port Complete》之前，我对串行端口的理解，充其量只是停留在“连接两台设备，传输一些文本信息”的简单阶段。我曾尝试过编写一些基础的代码，通过电脑连接Arduino或者一些简单的传感器，但每当遇到一些稍显复杂的问题，比如数据传输不稳定、通信速率上不去，或者需要和一些非标的硬件进行对接时，我就显得非常捉襟见肘。《Serial Port Complete》这个书名，恰恰抓住了我一直以来渴望解决的痛点——“Complete”，意味着它要覆盖串行通信的方方面面。我非常期待书中能够详细解释串行通信的基础理论，比如异步通信的原理，时钟同步的重要性，以及各种数据格式（如ASCII、二进制）的应用。我尤其希望能够深入理解UART（通用异步收发传输器）内部的工作机制，包括它的发送和接收缓冲区，移位寄存器如何工作，以及中断是如何被触发和处理的。在实际应用中，我常常需要处理各种不同的串行通信场景，例如在工业自动化中，经常会遇到RS-485总线上的多设备通信，我希望书中能够讲解RS-485的电气特性，差分信号的优势，以及如何在总线上进行地址寻址和冲突避免。另外，我也很关心在嵌入式系统开发中，如何高效地利用串行端口，比如在Linux环境下，如何使用termios接口进行灵活的串口配置，以及如何在RTOS中实现中断驱动的串口通信，以最小化CPU占用率。我希望这本书能够提供丰富的代码示例，让我能够快速地将学到的知识应用到实际项目中。总而言之，《Serial Port Complete》是我期待已久的一本能够系统性地讲解串行端口原理、应用和调试技巧的权威指南。

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我必须承认，《Serial Port Complete》这个书名，一开始并没有立刻引起我极大的兴趣，毕竟串行端口似乎是一个相当“老旧”的技术，在今天这个高速网络和无线通信飞速发展的时代，它显得有些不起眼。我更关注的是那些前沿的物联网技术、复杂的嵌入式AI应用，或者大规模分布式系统的构建。然而，当我翻开这本书的目录，尤其是看到其中一些章节的标题，比如“串行端口的物理层接口详解”、“深入理解UART的工作机制”、“高级错误检测与纠正策略”、“实时操作系统下的串行通信管理”，我才意识到，我对串行端口的理解可能过于片面了。我一直以来，只是将串行端口视为一个简单的“数据管道”，用来传输一些命令和数据，但从未深入思考过它背后的复杂性。我希望这本书能够让我认识到，即使是看似简单的技术，其背后也蕴含着深刻的工程原理和精妙的设计。我期待它能带领我穿越表面的API调用，去探究数据的比特流如何在物理层面上进行编码、传输和解码；去理解UART芯片内部是如何通过时序和状态机来控制数据的发送和接收的；去学习那些在数据传输过程中可能出现的各种干扰和噪声，以及如何通过校验位、校验和甚至是更复杂的FEC（前向纠错）技术来保证数据的完整性和可靠性。我还需要了解在资源受限的嵌入式系统中，如何有效地利用有限的CPU资源和内存来处理串行通信，特别是在需要高吞吐量或者低延迟的应用场景下。这本书的“Complete”之处，我希望体现在它能够覆盖从最基础的RS-232接口电气特性，到复杂的USB转串口设备的驱动实现，再到多设备之间的串行总线通信（如RS-485）等广泛的应用场景。我希望它能像一本百科全书，让我对串行端口拥有一个全面、深入且实用的认知。

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这套书，特别是《Serial Port Complete》，在我翻阅之前，我抱持着一种既期待又略带怀疑的心情。我对串行通信的了解，说实话，一直停留在比较基础的层面，主要依靠一些零散的在线教程和零星的官方文档。对于那些真正深入到驱动层面、硬件交互细节，以及在复杂环境中调试串行端口问题的工程师来说，我总觉得我缺了一块重要的拼图。这本书的题目本身就很有吸引力，“Complete”这个词，在我看来，意味着它不仅仅是介绍一些简单的C语言代码来发送和接收数据，而是要触及到整个串行端口的生命周期，从物理接口的定义，到操作系统如何管理这些端口，再到不同应用场景下的优化策略。我迫切地希望它能解答我在实际项目开发中遇到的一些顽固问题，比如数据帧的正确构造、超时机制的合理设置、以及如何处理各种奇特的硬件握手协议。我特别关注书中会不会有关于不同嵌入式系统（如ARM、x86架构）下串行端口驱动的对比分析，以及在Linux、Windows等不同操作系统平台上，串行端口API的细微差别和最佳实践。因为在我的经验中，同样的串行通信代码，在不同的环境下运行，有时会出现意想不到的行为，而找到问题根源并加以解决，往往需要耗费大量的时间和精力。我希望这本书能像一个经验丰富的导师，一步步地引导我，让我能够清晰地理解串行端口工作的底层原理，从而在日后的开发中能够更加自信和高效。而且，我个人也对一些更高级的话题非常感兴趣，比如在多任务环境下如何安全地访问和管理串行端口，如何进行性能调优以达到更高的传输速率，以及如何处理可能出现的硬件故障和数据丢失等问题。《Serial Port Complete》的出现，无疑给了我一个深入探索这些复杂领域的绝佳机会，我很期待它带来的启发和帮助。

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坦白说，当我在书架上看到《Serial Port Complete》时，我的第一反应是，“又一本关于串行端口的书？”。市面上关于这个主题的资料并不少，但很多都流于表面，或者过于理论化，缺乏实际操作的指导。我之前接触过几本，要么讲得太浅，只能教你如何用基本的C语言函数读写几个字节，对于一些稍微复杂一点的应用就束手无策；要么就陷在枯燥的硬件规范里，读起来让人昏昏欲睡，完全找不到方向。我一直希望找到一本能够真正打通“理论与实践”鸿沟的书。我的工作经常需要和各种嵌入式设备打交道，而串行端口是这些设备之间进行通信最常见的接口之一。有时候，调试一个简单的串口通信问题，就能耗费我好几天的时间，原因就是对底层的细节不够了解，不知道数据到底是如何在物理层面上被编码和传输的，也不知道操作系统是如何在软件层面模拟和管理这些硬件设备的。我尤其希望这本书能够详细解释串行通信中的一些关键概念，比如波特率、数据位、停止位、校验位这些参数的含义和它们对通信稳定性的影响；UART（通用异步收发传输器）的内部工作原理，包括发送和接收缓冲区的机制；以及 RTS/CTS（硬件流控制）和 XON/XOFF（软件流控制）等流控制方法的原理和应用场景。我希望它能通过生动的图示和清晰的文字，将这些抽象的概念具象化，让我能够真正理解它们是如何工作的。而且，书中如果能包含一些不同平台下的代码示例，比如在Windows下使用WinAPI，在Linux下使用termios接口，甚至是在一些嵌入式RTOS（实时操作系统）下的实现，那就更好了。因为在实际开发中，我们经常需要在不同的操作系统和硬件环境下进行串行通信的开发，了解这些差异并掌握跨平台开发的技巧，对于提高开发效率至关重要。《Serial Port Complete》的出现，让我看到了解决这些痛点的希望，我充满期待地想要一探究竟。

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对于《Serial Port Complete》这本书，我有着一种复杂的情感，既有期待，也有一些小小的担忧。期待是因为，在我的职业生涯中，串行端口通信是我接触最为频繁也是最容易出现问题的领域之一。每次在调试一个复杂的串行通信链路时，我都感觉自己像是摸着石头过河，对很多问题的根源缺乏深刻的理解。《Serial Port Complete》这个书名，至少在承诺上，是极具吸引力的。我希望它能够像一本全面而深入的指南，带我理解串行通信的方方面面。我渴望它能详细讲解各种串行接口标准，如RS-232、RS-422、RS-485的电气特性、接口定义以及它们的适用场景。我尤其希望能够深入了解UART（通用异步收发传输器）的工作原理，包括它的时序控制、波特率生成、发送/接收缓冲区机制，以及如何通过中断来提高效率。在实际开发中，我经常会遇到数据传输过程中出现错误，或者通信速率不稳定等问题，我希望这本书能够提供一套系统性的方法来诊断和解决这些问题，例如详细讲解硬件流控制（RTS/CTS）和软件流控制（XON/XOFF）的原理和应用，以及如何通过分析通信协议栈来定位故障。我还希望书中能够提供跨平台开发的指导，比如在Windows下使用WinAPI，在Linux下使用termios接口，以及在嵌入式系统中的实现。总而言之，我希望《Serial Port Complete》能够让我真正掌握串行通信的精髓，成为解决这类问题的专家。

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我是一名软件工程师，主要从事嵌入式系统的开发，而串行端口是我工作中不可或缺的通信接口之一。长期以来，我一直感觉自己在串行通信这方面存在着知识的盲区，尤其是在面对一些复杂的通信协议和调试难题时，常常感到力不从心。《Serial Port Complete》这本图书的出现，给了我很大的启发。我希望它能够像一个详尽的指南，带领我深入理解串行通信的各个层面。我迫切地希望它能够详细阐述串行通信的物理接口标准，比如RS-232、RS-422、RS-485等，并解释它们在电气特性、信号定义以及最大传输距离等方面的差异和适用场景。我尤其关注书中对UART（通用异步收发传输器）工作原理的深入剖析，包括其内部的发送/接收缓冲区、移位寄存器、时钟生成以及中断处理机制。我希望能够通过这本书，真正理解数据是如何从并行转换为串行，又是如何被精确地按照时钟信号发送出去的。此外，我也非常期待书中能够详细讲解各种串行通信中的关键参数，例如波特率、数据位、停止位、校验位等，并解释它们如何影响通信的效率和可靠性。在实际开发中，我经常会遇到数据丢失、通信错误等问题，我希望《Serial Port Complete》能够提供一套系统性的方法来诊断和解决这些问题，比如深入讲解硬件流控制（RTS/CTS）和软件流控制（XON/XOFF）的原理和应用，以及如何通过分析通信协议栈来定位故障。我希望这本书能够提供丰富的实际案例和代码示例，帮助我理解如何在不同的操作系统（如Windows、Linux）和嵌入式平台下，利用API或者驱动程序来实现高效可靠的串行通信。总而言之，我希望通过阅读《Serial Port Complete》，能够彻底弥补我在串行通信领域的知识短板，提升我的开发能力和解决问题的效率。

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当我看到《Serial Port Complete》这本图书的标题时，我的脑海中立刻浮现出无数次与串行端口打交道的经历。从早期的单片机开发，到如今的嵌入式系统集成，串行端口始终是我最常打交道的通信接口之一。然而，尽管使用频繁，我对它的理解却常常停留在“调用几个函数就能发送数据”的层面，很多底层的细节和原理，我始终觉得模糊不清。《Serial Port Complete》这个名字，恰恰抓住了我一直以来渴望的“彻底掌握”的心理。我希望这本书能够带领我深入理解串行通信的核心概念，比如异步通信的原理，时钟信号如何被隐式地同步，以及各种数据位、停止位、奇偶校验位的具体作用。我尤其期待书中能够详细讲解UART（通用异步收发传输器）的工作流程，包括它的发送/接收缓冲区，移位寄存器如何实现串行/并行转换，以及中断是如何被触发和处理的。在实际工作中，我常常需要和各种不同的设备进行串行通信，包括那些拥有非标准通信协议的硬件。我希望这本书能够提供一套通用的方法论，帮助我分析和理解这些非标协议，并给出相应的实现建议。此外，我也希望书中能够涉及一些高级主题，比如在实时操作系统（RTOS）下如何进行高效的串口管理，如何实现数据传输的DMA（直接内存访问）优化，以及如何在工业环境中应对电磁干扰和信号衰减等问题。我期待《Serial Port Complete》能够让我成为一名真正理解和掌控串行端口的工程师。

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主要讲RS232 /RS485，原理和上位机讲的比较多。不是很工程性的，读了一小半先放弃了~

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主要讲RS232 /RS485，原理和上位机讲的比较多。不是很工程性的，读了一小半先放弃了~

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