MCS-51单片机应用技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:212

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出版时间:2007-4

价格:28.00元

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isbn号码:9787504567734

丛书系列:

图书标签:

• MCS-51
• 单片机
• 应用技术
• 嵌入式系统
• 电子工程
• 微控制器
• C51
• 硬件设计
• 软件编程
• 实践教程

计算机体系结构与高级设计：面向现代处理器的深度解析 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的计算机体系结构视角，重点关注现代高性能处理器（如多核CPU、GPU及特定领域架构ASIC）的设计原理、实现技术以及软件优化策略。本书的叙述将避开对MCS-51系列单片机及其特定应用技术（如汇编语言编程、定时器/计数器、串行通信接口等）的任何讨论，将焦点完全集中在当前计算科学的前沿领域。 第一部分：计算基础与性能度量 本部分首先回顾了计算机系统设计的核心挑战与目标。我们将从指令集架构（ISA）的角度出发，深入分析精简指令集计算（RISC）与复杂指令集计算（CISC）的演进路线及其哲学差异。重点介绍当前主流的x86-64和ARMv8架构的特点，包括它们的特权级、地址空间管理机制以及现代向量扩展（如AVX-512、SVE）对并行计算的推动作用。 性能分析是本部分的核心。我们不仅讨论经典的CPI（Cycles Per Instruction）和MIPS等指标，更深入探讨Amdahl定律和Gustafson定律在评估并行加速时的适用性与局限性。此外，本书将详细剖析存储器层次结构对实际程序执行速度的影响，包括L1/L2/L3缓存的容量、延迟、关联度和替换策略，以及缓存一致性协议（如MESI、MOESI）在多核系统中的关键作用。 第二部分：高性能处理器设计原理 本部分是本书的技术核心，详述了现代微处理器内部流水线和并行化技术的实现细节。 2.1 流水线技术与动态调度 我们将细致解析指令级并行（ILP）的提取方法。内容涵盖深度流水线的气泡（Stall）处理、数据相关性的检测与消除。重点讲解乱序执行（Out-of-Order Execution, OOO）的核心机制，包括保留站（Reorder Buffer, ROB）、物理寄存器堆（Physical Register File）以及重命名技术如何实现绕过等待，提高资源利用率。我们将用图示和伪代码分析分支预测器（Branch Predictor）的设计，从简单的两比特饱和计数器到复杂的基于历史的（Gshare、TAGE）预测算法及其对分支误判惩罚的缓解。 2.2 并行架构：从超标量到多核 本书将详细阐述超标量（Superscalar）处理器的设计，包括指令发射宽度、功能单元（ALU、FPU、Load/Store Unit）的配置与调度。随后，转向多核处理器的设计，深入探讨片上系统（SoC）中的片上网络（Network-on-Chip, NoC）拓扑结构（如Mesh、Torus）及其路由算法。我们还将对比同构多核和异构多核（例如CPU与集成GPU或加速器核心的协同工作）的优缺点与编程模型。 第三部分：内存系统与数据流管理 本部分专注于如何设计高效的内存访问机制，以应对“内存墙”的挑战。 3.1 虚拟内存与地址翻译 深入探讨多级页表（Multi-Level Page Tables）的结构，以及转换后援缓冲器（Translation Lookaside Buffer, TLB）的工作原理和替换策略。我们将分析硬件辅助分页如何提高操作系统效率，并讨论内存保护和权限检查在现代OS中的实现方式。 3.2 预取技术与一致性模型 本书将详细介绍硬件预取器（Hardware Prefetcher）的算法，包括基于流（Stream-based）和基于相关性（Stride-based）的预取策略，及其如何与缓存层协同工作。在并行程序设计中，内存一致性模型（Memory Consistency Models）至关重要。我们将区分顺序一致性（Sequential Consistency）、释放一致性（Release Consistency）和弱一致性（Weak Consistency），并说明程序员如何利用编译器和内存屏障（Fences/Barriers）来保证多线程数据的正确访问。 第四部分：特定领域加速器与未来趋势 本部分将目光投向通用计算的局限性，探讨专用硬件加速器的兴起。 4.1 图形处理器（GPU）架构与并行编程 本书将详细介绍GPU的单指令多线程（SIMT）执行模型，这是其与传统CPU并行性的根本区别。我们将解析Streaming Multiprocessor (SM) 的内部结构，包括线程束（Warp/Wavefront）的调度、寄存器分配和访存合并（Coalescing）的原理。重点讨论CUDA/OpenCL等编程模型中，如何映射用户任务到硬件的Thread Block和Grid结构上。 4.2 硬件安全与能效设计 在安全方面，我们将探讨可信执行环境（TEE）的硬件支持（如Intel SGX、ARM TrustZone）如何隔离敏感计算。在能效方面，讨论动态电压和频率调整（DVFS）、时钟门控以及功耗门控等技术如何根据工作负载实时优化能耗，实现“绿色计算”。 4.3 量子计算的硬件基础（前瞻性讨论） 作为对未来计算的展望，本章将简要介绍量子比特（Qubit）的物理实现（如超导、离子阱），以及量子计算对经典体系结构带来的潜在颠覆性影响。 适用读者： 本书适合计算机科学、电子工程、软件工程等专业的高年级本科生、研究生，以及希望深入理解现代CPU/GPU内部工作机制和优化瓶颈的软件工程师和系统架构师。读者应具备一定的数字逻辑和汇编语言基础。

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这本关于MCS-51单片机应用技术的书，我得说，它在**嵌入式系统基础概念的阐述**方面做得相当到位。书中对于微控制器（MCU）的基本架构，比如CPU、存储器（RAM/ROM）以及各种I/O端口的物理连接和逻辑功能，讲解得深入浅出。尤其值得称赞的是，它没有直接跳入复杂的编程代码，而是花了大篇幅来解释晶振对时序的重要性，以及如何通过配置寄存器来实现对外部中断源的精确捕获。我记得有一章详细描述了定时器/计数器的不同工作模式，特别是模式二和模式三在生成精确延时和波形输出上的差异，作者用了很多清晰的逻辑图和时序图来辅助说明，即便是初次接触单片机硬件设计的读者，也能很快抓住要领。此外，书中对并行I/O的输入上拉电阻和输出推挽/开漏模式的选择，也给出了非常实用的工程建议，这在很多理论性的教材中是很难找到的深度。对于想要夯实硬件接口基础的工程师来说，这本书提供了坚实的地基。它让我明白了，那些看似简单的“点亮LED”或“读取按键”背后，其实蕴含着对底层时钟和电平逻辑的深刻理解。

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最后，不得不提的是书中对于**系统调试与故障排查**这一“软技能”的培养。很多教材只教你如何“做”，却很少教你如何“修”。这本书在这方面下了很大功夫，它提供了一套系统化的调试思路。比如，当程序跑飞时，如何通过观察程序计数器（PC）和堆栈指针（SP）的变化来定位问题；当外部设备无响应时，如何利用示波器来监测关键信号引脚（如中断请求线、通信时钟线）的时序是否符合预期。书中还专门设立了一章来讨论软件仿真与硬件在线调试（如使用ISP/ICP工具）的区别与联系，并给出了在没有专业调试工具时，如何利用点亮不同LED指示灯的“跛行回家”式调试方法来初步定位逻辑错误。这种强调动手验证和逻辑推理的教学方法，帮助读者建立起面对实际工程难题时，那种沉着冷静、层层递进的排故习惯，这比单纯掌握几条指令的意义要深远得多。

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书中关于**MCS-51指令集和汇编语言编程艺术**的探讨，简直是一场精妙的“代码考古”。不同于现在很多教材直接聚焦于C语言应用，这本书细致入微地剖析了8051核心指令集的设计哲学。作者不仅罗列了MOV、ADD、DJNZ这些基本指令，更重要的是解释了它们在不同寻址模式下（直接、间接、寄存器）的效率差异。举例来说，书中对数据交换操作的优化，展示了如何利用堆栈指针（SP）和寄存器间接寻址来减少程序执行周期，这在资源极度受限的早期嵌入式环境中是至关重要的生存技能。我特别喜欢作者在讲解乘法和除法指令时，如何处理溢出和符号位的问题，那种将复杂数学运算分解为一系列精妙位操作的过程，读起来酣畅淋漓，充满了逻辑美感。虽然现在C语言占据主导地位，但理解汇编的精髓，能让你写出更高效、更“贴近硬件”的C代码，这本书完美地扮演了这座桥梁的角色。

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这本书对于**MCS-51系统的扩展与资源优化**的论述，体现了作者丰富的项目经验。在介绍外部存储器扩展时，它不仅讲解了ALE信号的作用和地址锁存的时序，更重要的是，它详细分析了分时复用地址/数据总线的具体操作流程，以及如何通过I/O口模拟扩展RAM和ROM的片选信号（CS）。对于内存受限的系统设计者而言，书中关于片上资源（如内部RAM的不同区域划分、程序存储器中的数据表存储优化）的讨论非常实用。例如，作者探讨了如何巧妙地利用快速RAM的低128字节进行变量存储，而将高128字节用作堆栈或特殊功能寄存器（SFR）的影子区域，以提高访问速度。这种对每一个字节存储空间的精打细算，对于那些追求极致性能和低成本的硬件工程师来说，无疑是宝贵的财富，展示了在资源约束下如何“榨干”芯片的每一分潜能。

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在**外设接口与通信协议的实战应用**方面，这本书展现了极强的工程实践性。它没有仅仅停留在理论上介绍UART（串行通信）和SPI/I2C的协议规范，而是深入到如何利用51的专用硬件模块（如SCON寄存器、PCON寄存器）去配置波特率、校验位和数据帧格式。对于初学者来说，最头疼的往往是调试通信错误，这本书通过几个经典的案例——比如如何稳定地与PC端进行RS-232通信，以及如何设计一个主从架构的I2C总线读取外部EEPROM——清晰地展示了软件与硬件同步配置的诀窍。它强调了软件轮询与硬件中断在通信处理中的权衡，并给出了何时应该使用哪种策略的判断标准。这种将协议规范与实际硬件寄存器操作紧密结合的讲解方式，极大地弥补了单纯协议文档带来的抽象感，让整个通信过程变得可视化和可控。

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