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出版者:清华大学出版社

作者:陈文钦

出品人:

页数:488

译者:

出版时间:2001-9

价格:49.00元

装帧:

isbn号码:9787900635754

丛书系列:

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《硬件深潜：嵌入式系统底层原理与实践》 内容简介 《硬件深潜：嵌入式系统底层原理与实践》是一部深入剖析嵌入式系统硬件底层运作机制的百科全书式著作。本书旨在带领读者穿越抽象的软件层面，直抵构成现代电子设备核心的微观世界，揭示从最基础的晶体管开关到复杂片上系统（SoC）的构建逻辑。这本书的独特之处在于，它并非着眼于某个特定领域的研发技术，而是全面、系统地讲解了构成嵌入式系统硬件基石的共性原理与核心技术，为读者构建一个坚实的底层知识体系。 本书内容涵盖广泛，从数字逻辑的基本门电路出发，逐步深入到微处理器架构、存储器层次结构、中断机制、输入/输出（I/O）控制、定时器与计数器、数字信号处理（DSP）基础，以及低功耗设计等关键技术。在讲解过程中，本书注重理论与实践相结合，通过丰富的实例和深入的分析，帮助读者理解这些抽象概念如何在实际硬件中得以实现，以及它们如何协同工作，驱动复杂的嵌入式应用。 第一部分：数字逻辑与电路基础 本部分是本书的基石，它从最基本的数字逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）开始，清晰地阐述了组合逻辑和时序逻辑的设计原理。读者将了解如何使用逻辑门构建更复杂的逻辑单元，例如加法器、减法器、寄存器和多路选择器。本书深入讲解了布尔代数及其在电路设计中的应用，并通过图示和简化的电路图，生动地展示了这些基本构建模块如何工作。此外，还触及了亚稳态、竞争冒险等数字电路设计中需要注意的关键问题，以及如何通过同步电路设计和时钟信号管理来规避这些问题。这一部分为理解后续更复杂的硬件设计奠定了坚实的基础。 第二部分：微处理器架构与指令集 本部分将带领读者深入了解微处理器的内部构造。本书详细介绍了CPU的核心组件，包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元、寄存器组、指令译码器和程序计数器（PC）。读者将学习到不同指令集架构（ISA）的设计理念，如精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）的优劣势，以及指令是如何被 fetched、decoded、executed 和 written back 的。本书会以通俗易懂的方式解释流水线技术、缓存机制、分支预测等提高CPU性能的关键技术。对于指令集，本书不会局限于某一特定CPU，而是以通用的概念和结构进行讲解，帮助读者理解不同微处理器在指令集层面的共性与差异，以及如何通过汇编语言与CPU直接交互。 第三部分：存储器系统与层次结构 本书深入探讨了嵌入式系统中至关重要的存储器系统。读者将了解不同类型存储器的特性，包括易失性存储器（RAM）的DRAM和SRAM，以及非易失性存储器（ROM）的Flash、EEPROM等。本书将详细讲解存储器的组织结构、寻址方式、读写时序以及接口协议。特别地，本书会深入分析存储器层次结构（缓存、主存、外存）的设计原理，解释为什么需要多级缓存，以及缓存一致性问题是如何解决的，这对于理解CPU如何高效地访问数据至关重要。此外，还会涉及存储器映射、总线接口以及内存控制器的工作原理，帮助读者理解CPU如何与各种存储器设备进行通信。 第四部分：中断、DMA与I/O接口 本部分专注于嵌入式系统中实现高效数据传输与响应外部事件的核心机制。本书详细阐述了中断的工作原理，包括中断源、中断向量表、中断服务程序（ISR）以及中断优先级管理。读者将理解中断是如何被触发、如何被CPU处理，以及如何实现高效的设备交互。同时，本书深入讲解了直接内存访问（DMA）技术，解释DMA如何允许外设直接与存储器进行数据传输，从而减轻CPU的负担，提高系统吞吐量。此外，本书还将详细介绍各种常见的I/O接口技术，如UART、SPI、I2C、USB、GPIO等，讲解它们的通信协议、时序特性以及在实际应用中的配置和使用方法。 第五部分：时序控制与定时器 时间是嵌入式系统运行的基石。本部分将深入讲解时序控制的概念以及定时器/计数器的功能与应用。读者将学习到时钟源的生成与分配，以及不同频率的时钟信号在系统中的作用。本书将详细介绍各种类型的定时器/计数器，如通用定时器、看门狗定时器、PWM定时器等，并阐述它们如何在事件计数、时间测量、周期性触发、脉冲宽度调制（PWM）输出等方面发挥关键作用。通过实例分析，读者将理解如何利用定时器实现精确的延时、周期性任务调度以及控制电机速度、LED亮度等实际应用。 第六部分：数字信号处理（DSP）基础与嵌入式实现 对于许多嵌入式系统而言，处理模拟信号并将其转换为数字信号进行分析和处理至关重要。本部分将介绍数字信号处理（DSP）的基本概念，包括采样定理、量化、傅里叶变换（FFT）基础以及滤波器的原理。本书将重点讲解如何在嵌入式硬件中实现这些DSP算法，包括ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）的工作原理与接口，以及专用的DSP处理器或具备DSP能力的通用处理器在处理音频、视频、传感器数据等方面的优势。通过实例，读者将了解如何利用DSP技术实现信号的滤波、变换、特征提取等功能。 第七部分：低功耗设计与系统集成 在资源受限的嵌入式系统中，低功耗设计是至关重要的考量因素。本部分将探讨各种降低功耗的策略和技术，包括时钟门控、电源门控、动态电压频率调整（DVFS）、休眠模式以及各种硬件组件的低功耗特性。本书还将讨论如何在硬件层面实现有效的电源管理，以及如何权衡性能与功耗。最后，本书将从整体视角出发，讲解不同硬件模块如何协同工作，形成一个完整的嵌入式系统。它会涵盖系统级时钟管理、复位机制、总线仲裁以及片上系统（SoC）的集成挑战，为读者提供一个关于整个嵌入式系统硬件设计及其相互关系的宏观认识。 《硬件深潜：嵌入式系统底层原理与实践》不仅仅是一本技术手册，更是一次深入探索电子设备“灵魂”的旅程。无论您是嵌入式系统爱好者、初入此行的工程师，还是希望深化理解的资深开发者，本书都将是您探索硬件深层奥秘、构建更强大、更高效嵌入式系统的宝贵指南。本书注重原理的清晰讲解，避免了对特定产品的过度依赖，因此其内容具有普遍的指导意义，能够帮助读者在面对不同硬件平台时，都能迅速抓住核心技术，触类旁通。

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这本书对网络协议栈的描述，简直是一场穿越时空的旅程。作者没有止步于TCP/IP的经典模型，而是大胆地将目光投向了正在快速发展的QUIC协议族，并详细阐述了其在拥塞控制和连接迁移方面的创新性设计。我非常喜欢他用类比的方式来解释数据包在网络中“迷失”与“重组”的过程，这种生动的叙事风格极大地降低了理解复杂网络传输机制的门槛。特别是关于延迟抖动的分析部分，作者引入了最新的测量工具和数据分析方法，清晰地展示了硬件延迟与软件延迟如何相互作用，从而影响最终的用户体验。这本书的价值不仅在于技术知识的传递，更在于它培养了一种对“为什么是这样设计”而不是“它就是这样”的探究精神。它鼓励读者去审视那些被我们视为理所当然的基础设施，并思考其背后的工程哲学。

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从文档排版的角度来看，这本书也展现出专业出版物的典范水准。字体选择的舒适度、行距的恰当留白，都体现了对长时间阅读体验的尊重。尤其值得一提的是，书中对算法复杂度的分析部分，采用了精美的LaTeX格式，使得大O表示法、希尔伯特曲线等数学表达清晰无误，避免了普通电子文档中常见的格式错乱问题。作者在讨论迭代优化算法时，总是习惯性地提供不同语言（例如C++和Python）的伪代码实现对比，这种跨语言的视角极大地拓宽了读者的视野。它让我意识到，很多底层优化技巧是独立于具体编程语言的，是算法思想本身的胜利。这种注重细节、追求极致清晰度的态度，使得整本书不仅仅是一本技术参考书，更像是一件精心打磨的工艺品，值得收藏。

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我花了相当长的时间在阅读关于操作系统内核调度的章节，不得不说，作者对时间片分配算法的讲解达到了教科书级别的高度，但又避免了传统教材的枯燥。他没有直接给出公式，而是通过模拟一个虚拟的多核环境下的任务竞争场景，让读者亲身体验“饥饿”与“公平”之间的张力。更令人称道的是，作者随后引入了现代CPU缓存一致性协议对调度决策的影响，这使得原本偏向理论的讨论立刻变得鲜活和具有实践意义。我尝试着在自己的虚拟机环境中复现了书中描述的几种极端负载情况，发现书中的预测与实际表现惊人地一致。这种将理论推演与实际性能监控紧密结合的写作手法，极大地增强了内容的信服力。整本书的叙事节奏把握得非常好，总能在关键技术点处放慢速度，进行细致入微的剖析，而在过渡部分则保持流畅的行文速度，让人一口气读完，却又回味无穷。

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这部著作深入探讨了现代软件工程的复杂性与优雅之处。作者以一种近乎诗意的笔触，描绘了编译器设计中那些微妙的权衡与决策过程。我尤其欣赏其对抽象数据类型如何在底层硬件层面得以实现的剖析，那种将高层逻辑与物理实现完美融合的叙事方式，令人耳目一新。书中对设计模式的讨论，并非简单地罗列教科书上的定义，而是通过一系列生动的、虚构的项目案例，展示了这些模式在解决实际性能瓶颈时的决定性作用。读完后，我感觉自己对软件架构的理解提升到了一个新的维度，不再仅仅停留在代码层面，而是能够洞察到系统在宏观尺度上的稳定性和可扩展性是如何被精心构建起来的。书中的图表设计极为精妙，复杂的数据流被简化成了清晰易懂的示意图，即便是初学者也能迅速把握核心概念，而资深工程师则能从中发现以往忽略的细节优化点。这真是一本能够激发思考，并且提供扎实技术支撑的宝贵读物。

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这部作品的真正魅力，在于它对软件生命周期管理理念的深刻反思。作者在探讨单元测试和集成测试的边界时，提出了一种“测试即文档”的全新视角。他详细描述了一种基于合约驱动开发（CDD）的实践流程，其中，测试用例被视为对未来系统行为最权威的描述。这种前瞻性的思维方式，让我开始重新审视我们团队目前的代码审查流程。书中对于如何构建一个自愈合（Self-Healing）系统的探讨，更是充满了科幻般的想象力与严谨的工程逻辑相结合的魅力。它没有提供一蹴而就的灵丹妙药，而是通过一系列循序渐进的模块化重构策略，引导读者逐步构建一个能够自我诊断和修复的复杂系统。读完后，我感受到的是一种对未来技术趋势的把握，以及对构建健壮、可持续软件系统的强烈使命感。

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