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出版者:机械工业出版社

作者:德特默

出品人:

页数:499

译者:

出版时间:2004-11

价格:55.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787111153122

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
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《微处理器系统设计与实践》 书籍简介 本书系统阐述了当代微处理器系统的设计原理、实现技术与工程应用，旨在为读者提供一个从底层硬件结构到上层软件架构的全面认知框架。内容聚焦于现代嵌入式系统、高性能计算以及物联网（IoT）设备的核心技术，重点剖析主流微处理器架构的演进脉络、核心部件的工作机制及其在实际项目中的集成部署。 本书结构严谨，内容涵盖了微处理器系统的设计方法论、关键技术细节的深入分析，以及面向特定应用的系统优化策略。理论探讨与工程实例紧密结合，强调动手实践与问题解决能力的培养。 第一部分：现代微处理器架构基础 本部分奠定读者理解复杂微处理器系统的理论基础。首先回顾了计算机体系结构的基本模型，引入冯·诺依曼和哈佛架构的差异及其在现代芯片中的混合应用。 1.1 处理器核心设计原理 深入剖析指令集架构（ISA）的设计哲学，对比RISC（精简指令集计算机）与CISC（复杂指令集计算机）的优劣及其在不同应用场景中的权衡。详细讲解了流水线技术（Pipelining）的原理、多级流水线中的数据冒险、控制冒险及其解决方案（如分支预测与乱序执行）。重点介绍超标量（Superscalar）处理器如何通过并行发射指令提升吞吐量。 1.2 存储器层次结构与缓存 系统讲解了现代处理器为解决“内存墙”问题所采用的存储器层次结构。详细剖析了一级、二级和三级缓存的设计参数（如容量、关联度、块大小），以及它们的工作机制（写分配、写回、写穿透策略）。深入探讨了缓存一致性协议（如MESI协议）在多处理器系统中的重要性，以及如何通过优化内存访问模式来最大化缓存命中率。 1.3 中断、异常与总线接口 阐述处理器如何管理外部事件和内部错误。详细介绍中断控制器（如PIC/APIC）的结构、中断向量表的工作方式以及上下文切换的机制。深入分析系统总线的设计，包括地址/数据总线的物理实现、同步/异步传输机制，以及DMA（直接内存访问）控制器如何减轻CPU在数据传输中的负担。 第二部分：嵌入式系统与片上系统（SoC）设计 本部分将理论知识应用于实际的嵌入式和SoC设计场景，这是当前微处理器应用的主流方向。 2.1 片上系统（SoC）的集成化趋势 解析SoC的构成要素，包括处理器核、专用加速器（如GPU、DSP）、存储器控制器和各种I/O接口。重点分析总线互联结构，如AMBA AXI/AHB协议在片上通信中的作用，以及如何通过片上网络（NoC）优化大规模集成电路的通信效率。 2.2 内存管理单元（MMU）与虚拟化 详细介绍MMU在实现进程隔离、保护和虚拟内存方面的关键作用。讲解页表结构、TLB（转换后援缓冲器）的工作原理以及缺页中断（Page Fault）的处理流程。讨论在嵌入式实时系统中对MMU的特殊配置要求。 2.3 低功耗设计与电源管理 针对移动和便携式设备的需求，系统介绍微处理器层面的低功耗技术。包括时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、动态电压与频率调节（DVFS）的应用，以及不同睡眠模式下的唤醒机制和功耗特征分析。 第三部分：并行计算与多核技术 随着摩尔定律的演进，并行化成为提升系统性能的主要途径。本部分着重探讨多核处理器和异构计算环境。 3.1 多核处理器一致性 深入探讨多核系统中数据一致性的挑战。对比基于缓存的硬件一致性协议（如MESI的扩展版本）与软件一致性模型。分析内存屏障（Memory Barriers）在确保程序正确执行顺序中的必要性。 3.2 异构计算加速器接口 介绍现代系统中常见的异构计算单元，如图形处理器（GPU）和特定领域处理器（如AI加速器）。重点分析CPU与这些加速器之间的数据交换机制、内核调度以及异构编程模型（如OpenCL/CUDA的底层调用机制）。 3.3 性能分析与调试工具 教授如何使用硬件性能计数器（Performance Counters）来监测指令周期、缓存未命中率、分支预测失误等关键指标。讲解系统级调试工具（如JTAG/SWD接口）在固件和驱动开发中的应用，以及如何通过性能分析指导体系结构优化。 第四部分：系统级接口与外设集成 微处理器必须与外部世界进行高效通信。本部分聚焦于关键I/O接口的设计与驱动实现。 4.1 通信接口标准 全面介绍高速串行通信标准（如PCI Express, USB）的物理层和协议层基础，以及它们在系统扩展中的地位。同时，详细解析I2C、SPI等片上通信总线用于连接传感器和低速外设的应用实例。 4.2 存储设备接口 分析现代固态存储（SSD）的接口技术，如NVMe协议栈的工作原理，以及其与处理器内存系统的交互模式。对比传统SATA接口的性能瓶颈。 4.3 实时系统与驱动程序基础 讨论在实时操作系统（RTOS）环境下，如何设计高效且可预测的设备驱动程序。重点讲解中断服务程序（ISR）的编写规范、同步机制（如信号量、互斥锁）在驱动与应用层交互中的应用，确保系统对时间敏感事件的可靠响应。 本书适合于计算机科学、电子工程、自动化等相关专业的本科高年级学生、研究生以及从事嵌入式系统、固件开发、芯片设计和高性能计算领域的工程师作为核心参考和实践指南。通过本书的学习，读者将能掌握从微处理器设计选型、系统架构搭建到性能优化的全流程工程能力。

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**5. 语言风格平实而富有洞察力，阅读体验酣畅淋漓** 这本书的作者似乎拥有将复杂概念“去魅化”的魔力。他的文字没有那种高高在上的学术腔调，而是像一位经验丰富的工程师在与同行交流心得。语气中带着一种沉稳的自信，总能在关键点上给出极其精辟的总结。这种平实的叙述风格，反而使得书中那些深刻的洞察力更加突出。比如在讨论栈帧结构和函数调用约定（Calling Convention）的部分，作者的描述简洁明了，一针见血地指出了参数传递和返回地址保护的本质。整个阅读过程下来，我感到一种持续的、被知识驱动的满足感，不像是在应付任务，而更像是在进行一场酣畅淋漓的智力探险。它不仅教会了我知识，更培养了我一种严谨的、自底向上分析问题的思维模式。

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**3. 实战导向性强，理论与实践结合得非常到位** 市面上很多理论书籍读完后，合上书本，依然不知道如何下手敲出哪怕一段有意义的代码。这本书则完全不同，它在讲解完一个核心概念后，几乎都会紧接着提供一到两个相关的代码示例，并且这些示例都是可以直接在虚拟机或真实环境中运行验证的。这种即时反馈的学习机制极大地提高了我的学习积极性。我记得有一个关于字符串操作的例子，作者不仅展示了如何用循环来实现，还对比了使用特定指令集优化后的效率差异，这种对比分析让我深刻理解了“为什么我们要学习汇编”——因为它能让你写出效率最高的代码。我甚至尝试修改书中的代码，观察输出结果的变化，这种探索的过程比单纯的阅读要有效得多。

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**1. 深入浅出的讲解，让我对底层逻辑有了全新的认识** 这本书的讲解方式非常独特，它并没有像很多教材那样堆砌晦涩难懂的术语，而是采用了非常生活化、类比式的叙述方法。我作为一个初学者，一开始对汇编语言和计算机体系结构这两个概念感到十分头疼，觉得它们离我们日常使用电脑的体验太远了。然而，作者通过一系列精妙的例子，比如将CPU比作一个超级忙碌的指挥官，将内存比作一个有编号的仓库，让我很快就抓住了核心概念。尤其是关于指令集的剖析，它不是简单地罗列那些MOV、ADD、JMP指令，而是会深入探讨这些指令在实际执行过程中是如何与硬件交互的，那种层层递进的解释，让我感觉自己不仅仅是在学习一门语言，更是在探索计算机“思考”的过程。读完之后，我对软件运行背后的物理机制有了非常清晰的图像，不再觉得它们是“黑箱”操作了。这种将复杂概念简单化的能力，是这本书最大的亮点之一。

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**4. 深入体系底层，对硬件的理解得到了质的飞跃** 这本书的价值远不止于教授汇编语言本身，它更像是一把钥匙，打开了计算机体系结构的大门。以往我只知道CPU有缓存（Cache），但对于L1、L2缓存的工作原理、它们如何与主频协同工作，以及内存访问延迟（Latency）对程序性能的影响，一直是一知半解。这本书用了专门的章节来详细阐述这些“幕后英雄”。读到关于流水线（Pipeline）和超标量（Superscalar）处理器的介绍时，我才真正体会到现代CPU的“多任务并行”能力是如何实现的。这种对硬件层面的深挖，极大地拓宽了我对“性能优化”的理解边界，让我明白很多时候性能瓶颈并不在算法本身，而在于我们如何与底层的物理限制打交道。

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**2. 结构严谨，逻辑链条清晰，学习体验极其顺畅** 这本书的编排逻辑简直是教科书级别的典范。从基础的二进制、十六进制运算开始，逐步过渡到寄存器、内存寻址，再到程序流程控制和子程序调用，每一步都衔接得天衣无缝，几乎没有知识上的断层。我发现，在学习后面章节时，前面章节的知识点会自然而然地被引用和深化，形成一个非常坚固的知识体系。不像有些技术书籍，读起来像是在爬一座没有扶手的山，需要不断地前后翻阅，自我构建知识结构，这本书则像是有人为你铺设好了一条平坦且有明确指示牌的道路。尤其是对于中断和异常处理的章节，作者的处理方式极富条理，把复杂的时间同步问题解释得井井有条，让我对操作系统是如何管理底层硬件有了更宏观的理解。

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汇编课本，很好的一本书

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