嵌入式系统开发与应用实验教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:田泽

出品人:

页数:312

译者:

出版时间:2005-4

价格:29.50元

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787810774864

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式系统
• 单片机
• 实验教程
• 开发
• 应用
• C语言
• 硬件
• 实践
• 电子工程
• ARM

深度探索计算的基石：现代计算机体系结构精要 本书深入剖析了现代计算系统的核心——计算机体系结构。它不仅仅是一本介绍硬件组件的书籍，更是一部引领读者理解指令集如何转化为实际运算、性能瓶颈如何被识别与突破的深度技术指南。 本书的编写旨在为那些希望超越应用编程层面，深入理解软件与硬件交互机制的工程师、计算机科学专业学生以及技术爱好者提供一个全面且严谨的知识框架。我们聚焦于当前主流体系结构的演进脉络、设计权衡以及性能优化策略，确保内容既具有前沿性，又扎根于经典理论。 --- 第一部分：基础理论与指令集架构的哲学 本部分奠定了整个体系结构学习的基石，强调“抽象”在计算机设计中的核心作用。 第一章：体系结构概述与历史演进 本章首先界定了“体系结构”（Architecture）与“微体系结构”（Microarchitecture）的区别。我们将追溯冯·诺依曼模型如何确立现代计算机的范式，并探讨早期的批处理系统到现代多核、异构计算的重大转折点。重点分析了阿姆达尔定律（Amdahl's Law）在指导早期性能提升决策中的指导意义，并引入了性能度量的基本方法，如时钟周期、CPI（Cycles Per Instruction）和指令执行时间（Execution Time），为后续的量化分析打下基础。 第二章：指令集架构（ISA）的构建 指令集是软件与硬件之间的契约。本章详细解析了ISA的设计原则，重点比较了精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）的设计哲学和各自的优缺点。 操作码的编码与寻址模式： 我们深入探讨了不同的寻址方式（立即数、寄存器、直接/间接存储器访问）如何影响指令的复杂度和硬件实现难度。 数据类型与操作： 详细分析了定点、浮点运算（遵循IEEE 754标准）在硬件层面的实现细节，及其对精度和速度的影响。 过程调用与栈帧管理： 阐述了函数调用约定（Calling Convention）如何在ISA级别上定义了参数传递、返回值存储和局部变量管理的机制，这是理解高级语言编译输出的关键。 --- 第二部分：处理器核心的微架构实现 本部分是本书的核心，聚焦于如何高效地执行ISA定义的指令，涉及深度流水线化、并行处理和时钟周期优化等尖端技术。 第三章：数据通路与单周期/多周期实现 本章从最基础的层面构建一个可执行指令的硬件模型。首先介绍了算术逻辑单元（ALU）的设计与优化。随后，我们构建了单周期处理器模型，分析其结构清晰但效率低下的限制。紧接着，引入多周期数据通路的概念，通过引入状态机控制来实现指令的分解执行，并精确计算每个阶段所需的时间。这部分内容为理解后续的动态调度和并行化奠定了坚实的逻辑基础。 第四章：指令流水线技术详解 流水线是现代高性能处理器实现高吞吐量的基石。 基本五级流水线： 详细剖析了取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）和写回（WB）五个阶段的功能划分。 流水线冲突的解决： 重点讨论了三种主要冲突：结构冲突、数据冲突（依赖性）和控制冲突（分支）。针对数据冲突，我们深入讲解了前递（Forwarding/Bypassing）技术如何通过数据通路反馈机制，在指令写入结果前将其提前提供给需要的后续指令。 控制风险管理： 对分支预测器的引入进行了详细的介绍，从静态预测到动态预测（如两比特饱和计数器），分析了预测错误带来的惩罚与恢复机制。 第五章：超越指令级并行（ILP）：超标量与乱序执行 当流水线深度达到极限后，性能的提升依赖于同时执行多条不相关的指令。 超标量处理器： 解释了如何通过增加多个执行单元（如ALU、FPU）并行处理指令。 动态调度与乱序执行（Out-of-Order Execution, OOO）： 这是现代CPU性能的关键。我们详细剖析了保留站（Reservation Stations）、重排序缓冲（Reorder Buffer, ROB）和寄存器重命名的工作原理。通过这些机制，处理器可以在保持程序正确性的前提下，利用机会发现和执行并行指令。 --- 第三部分：存储系统与I/O接口 处理器速度的飞速发展与主存速度的相对停滞，使得存储层次结构成为体系结构设计中最关键的瓶颈之一。 第六章：存储器层次结构与Cache优化 本章深入讲解了Cache在提升有效存储访问速度中的核心作用。 Cache的基本概念： 块、组、索引、标签的映射关系（直接映射、全相联、组相联）。 写策略与替换策略： 分析了写直达（Write-Through）和写回（Write-Back）的性能与复杂性权衡；以及LRU、随机等替换算法的硬件实现难度。 多级Cache系统： 讨论了L1、L2、L3 Cache在容量、延迟和相干性方面的设计差异。我们还将探讨伪共享（False Sharing）问题及其在多核环境下的影响。 第七章：虚拟存储器与地址翻译 虚拟内存是操作系统与硬件紧密协作的典范。本章聚焦于内存管理单元（MMU）的内部机制。 分页机制： 详细阐述了页表结构、多级页表的构建，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）如何加速地址转换过程。 TLB的命中与失效： 分析了TLB的设计参数（如关联度、条目数）对系统性能的直接影响，以及TLB失效的处理流程。 第八章：并行处理与多核体系结构 随着功耗墙的到来，并行化成为唯一的出路。 并行性分类： 区分了指令级并行、数据级并行（SIMD）和线程级并行。 多核处理器设计： 探讨了片上多核（CMP）的设计挑战，包括缓存一致性协议（Cache Coherence Protocols），特别是MSI、MESI等协议的工作机制及其对总线带宽的需求。 内存一致性模型： 介绍了顺序一致性（Sequential Consistency）的严格性，以及现代处理器为提升性能而采用的较弱一致性模型（如TSO、PSO），以及程序员需要注意的同步屏障（Memory Barriers）。 --- 第四部分：新型计算范式与未来趋势 本部分展望了传统体系结构面临的挑战，并介绍了应对这些挑战的新型计算模型。 第九章：异构计算与加速器设计 本书探讨了如何将专用硬件加速器集成到通用CPU体系结构中。 GPU架构： 侧重于GPU的单指令多线程（SIMT）模型，它如何通过海量并发线程来掩盖内存延迟，并对比了其与传统CPU流水线的根本差异。 专用加速器（如FPGA/ASIC）： 讨论了定制化硬件在特定算法（如神经网络推理）中的性能优势，以及如何设计高效的主机-设备通信接口。 第十章：能效比与功耗管理 在移动和数据中心领域，能效是与性能同等重要的指标。 功耗分析： 区分了动态功耗和静态功耗，并分析了时钟频率、电压缩放（DVFS）对功耗的影响。 低功耗设计技术： 探讨了时钟门控（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）等微架构层面的技术，以及如何通过软件和硬件协同管理来延长电池寿命和降低数据中心PUE（Power Usage Effectiveness）。 --- 总结： 本书通过结构化的章节安排和详尽的原理剖析，旨在为读者构建一个清晰、深入的现代计算机体系结构蓝图。它不仅仅教授“是什么”，更侧重于解释“为什么这样设计”以及“如何优化”，是追求系统底层性能优化的工程师案头必备的参考资料。全书配有大量的图示和例题，以辅助理解复杂的时序和并行逻辑。

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这本书简直是我的救星！我一直对硬件编程有点望而却步，总觉得那些复杂的寄存器和时序图高不可攀。但这本书的讲解方式实在是太接地气了。它不是那种干巴巴的理论堆砌，而是通过大量实际的案例和清晰的步骤，手把手地带你进入嵌入式开发的世界。比如，关于定时器的部分，作者没有直接丢给你一堆晦涩难懂的配置手册，而是通过一个具体的小项目——比如一个简单的LED闪烁程序，把整个配置流程拆解得清清楚楚。每一步的原理和代码注释都非常到位，让你不仅知道“怎么做”，更明白“为什么这么做”。我记得有一次我被一个中断处理搞得焦头烂额，翻遍了网上的资料都找不到满意的解释，最后在书里的这一章找到了突破口。作者对底层细节的把握非常精准，但又懂得如何用最直观的方式呈现出来，这种平衡掌握得非常好。对于初学者来说，这绝对是一本能让你建立信心，快速入门的实战宝典。它真的让我感觉，原来嵌入式开发也没那么神秘！

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这本书的实战项目设计得非常巧妙，它们紧密围绕实际工业应用展开，避免了那些脱离现实的“玩具项目”。例如，书中关于数据采集与处理的章节，引入了实时滤波算法的应用，这在很多实际的传感器接口开发中都是刚需。更重要的是，作者在每个实验的最后，都会设置一个“扩展与优化”的环节，鼓励读者去思考如何提升性能、增加健壮性或者适配新的外设。这培养了一种主动探索和解决问题的能力，而不是仅仅停留在照猫画虎的阶段。我按照书中的指导，成功地实现了一个低功耗模式下的唤醒系统，这对于我后续参与的物联网项目至关重要。这本书的价值在于，它不仅教会你如何完成一项任务，更教会你如何将一个基础功能进化成一个可靠的、面向产品的解决方案。它真正做到了“授人以渔”。

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坦率地说，我拿到这本书的时候，对它的期望值并不高，因为市面上的“开发与应用”教程常常陷入一个误区：要么是过于偏向理论的教科书，要么是仅仅停留在“搭积木”层面的入门指南。然而，这本书的编排结构出乎意料地流畅和高效。它从基础的硬件接口开始，循序渐进地引入通信协议（如UART、SPI），然后自然而然地过渡到更高层次的任务调度和驱动开发。最让我眼前一亮的是，它对不同类型微控制器的适配性有很好的考量，虽然是以某个平台为主线，但讲解的底层原理是通用的。我发现自己很多在其他地方学习时感到困惑的概念，比如浮点运算在嵌入式中的处理，或者看门狗定时器的精确应用场景，都在这本书中得到了清晰的阐述。这种知识的串联感非常强，读完一章，你能明显感觉到自己的知识体系在不断地向上搭建，而不是零散的知识点堆砌。

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这本书的排版和配图质量是很多技术书籍望尘莫及的。清晰的电路图、规范的代码块，以及关键数据手册内容的截图，极大地提升了阅读体验。我尤其喜欢作者在讲解复杂逻辑时使用的流程图和状态机图。有一次我在调试一个复杂的网络协议栈时遇到了死锁问题，翻看书里关于状态机转换的图示，我立刻就定位到了自己代码中逻辑跳转的错误点。这说明作者在内容创作时，不仅仅关注技术内容的准确性，更注重如何以最有利于大脑吸收和理解的方式呈现信息。对于需要长时间面对技术文档的工程师来说，这种视觉友好度至关重要的。它让枯燥的学习过程变得相对轻松愉快，减少了阅读疲劳感，使得长时间的深入学习成为可能。这本书的每一页都体现了对读者的尊重和对知识传播的认真态度。

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我接触过不少号称“实战”的教材，但很多都停留在理论介绍和简单的代码片段，真正想动手做点稍微复杂点的项目时，往往会发现书里根本没讲透。这本书的优势就在于它的“深度与广度兼备”。它不仅仅教会你如何点亮一个灯，更深入探讨了实时性、内存管理以及外设驱动的底层逻辑。我特别欣赏作者在讨论操作系统和实时性时所采取的视角，他没有回避那些技术上的难点，而是用一种务实的态度去分析不同方案的优劣。比如在讲解DMA传输时，书中对比了CPU轮询和中断驱动的效率差异，并给出了详细的性能分析，这对于需要优化系统性能的开发者来说，简直是醍醐灌顶。我拿着书里的一个项目结构，成功地将我们实验室的一个旧设备固件升级，系统响应速度有了显著提升。这本书提供的不仅仅是代码，更是一种解决实际工程问题的思维框架。

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