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出版者:华南理工大学出版社

作者:廖开际

出品人:

页数:312

译者:

出版时间:2001-3-1

价格:29.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787562316541

丛书系列:

图书标签:

• 8086汇编
• 汇编语言
• 程序设计
• 计算机科学
• 底层编程
• x86架构
• 微处理器
• 技术
• 教程
• 经典教材

探索编程世界的深层结构：现代计算机系统与底层驱动开发 图书名称：《现代计算机系统与底层驱动开发》 内容概要： 本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，解析现代计算机系统的核心架构、操作系统的工作原理，以及如何进行高效、可靠的底层软件和驱动程序开发。我们聚焦于那些在高级语言和应用层之下默默支撑着整个数字世界的关键技术和概念。 第一部分：现代计算机硬件架构的深度剖析 本部分将带领读者穿透CPU、内存和I/O设备的表层封装，理解其内部的精妙设计。 第一章：处理器核心的演进与微架构 本章不再仅仅停留在寄存器和指令集的描述层面，而是深入探讨现代处理器（如x86-64架构的最新版本，以及ARM架构的关键特性）的内部构造。我们将详细解析流水线技术（Pipeline）、乱序执行（Out-of-Order Execution）、分支预测（Branch Prediction）的工作机制，以及它们如何共同实现高性能计算。讨论如何通过分析微架构手册，预测特定代码段的实际执行效率。特别关注指令级并行性（ILP）的挖掘策略，以及现代处理器如何通过多级缓存（L1/L2/L3 Cache）来平衡速度与容量的矛盾。 第二章：内存层级结构与一致性模型 内存系统是决定程序性能的关键瓶颈之一。本章将深入探讨物理内存、虚拟内存的映射过程，以及内存管理单元（MMU）的角色。我们将详细阐述多核系统中的缓存一致性协议（如MESI、MOESI），解释为什么忽略这些协议会导致难以调试的并发错误。读者将学习如何利用`volatile`关键字的真正含义，理解内存屏障（Memory Barriers/Fences）在同步操作中的必要性，并掌握优化数据结构布局以提高缓存命中率的技巧。 第三章：总线、中断与直接内存访问（DMA） 本章聚焦于系统内部组件之间的数据传输机制。我们将解析PCI Express（PCIe）的总线拓扑结构、事务层协议和链路层协议。重点讲解中断的产生、处理流程（包括中断向量表和中断描述符表），以及中断服务程序（ISR）的设计原则。此外，DMA机制将被详细介绍，解析它如何允许外设直接读写内存，从而解放CPU进行并行工作。 第二部分：操作系统内核的关键组件与接口 本部分将揭示操作系统的“心脏”是如何跳动的，重点关注Linux内核作为主流开源范例的实现细节。 第四章：进程与线程管理的核心机制 理解操作系统如何调度和隔离任务是底层开发的基础。本章将细致讲解进程地址空间（虚拟内存布局）、上下文切换（Context Switching）的完整流程及其性能开销。线程模型（用户级线程与内核级线程的区分）将被深入讨论。我们将剖析现代调度器（如CFS）的工作原理，以及如何通过设置Nice值或使用实时调度策略来影响任务优先级。 第五章：虚拟内存管理与页面置换算法 本章专注于操作系统如何管理有限的物理内存。内容包括页表的组织结构（多级页表）、TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用与刷新机制。我们将分析各种页面置换算法（FIFO、LRU、Optimal）的优缺点，并探讨内核如何实现内存映射（mmap）和共享内存机制，这是实现高效进程间通信（IPC）的基础。 第六章：文件系统与块设备I/O栈 文件系统是数据持久化的关键。本章将剖析主流文件系统（如Ext4、XFS）的元数据结构（如inode、superblock）。我们将详细追踪一次系统调用（如`read()`或`write()`）从用户空间到内核空间，最终到达块设备的完整路径，包括缓冲/缓存层（Buffer Cache/Page Cache）的作用，以及I/O调度器（如Deadline, Noop, MQ）如何优化磁盘访问顺序。 第三部分：底层驱动程序开发实践与安全 本部分侧重于实际的开发技能，指导读者如何安全、有效地与硬件交互，并理解安全漏洞的根源。 第七章：Linux设备驱动模型基础 本章是实践操作的核心。我们将系统地介绍字符设备、块设备和网络设备驱动的基本框架。重点讲解设备树（Device Tree）在现代嵌入式和服务器系统中的应用，以及如何注册、初始化和清理驱动模块。我们将详细演示如何使用内核API进行内存分配（`kmalloc`, `vmalloc`）和同步操作（自旋锁、信号量）。 第八章：同步、并发与内核调试 并发编程在内核空间是极其敏感的。本章深入探讨内核中的同步原语，包括它们的适用场景、死锁预防策略以及性能影响。我们将介绍内核调试工具（如`printk`的高级用法、KDB/KGDB），并讲解如何利用系统跟踪工具（如Ftrace）来分析程序执行中的延迟和瓶颈。 第九章：系统调用接口与安全沙箱机制 本章探讨用户空间程序如何请求内核服务，即系统调用（Syscall）的机制。我们将分析系统调用陷阱（Trap）的硬件实现细节，以及如何通过系统调用表（Syscall Table）进行拦截或修改。在此基础上，我们将探讨现代操作系统为限制程序权限所采用的安全机制，如命名空间（Namespaces）、控制组（cgroups）和seccomp（安全计算模式）的原理和实际应用，为理解容器化技术打下坚实的基础。 附录：高性能编程的现代趋势 附录将简要介绍并行计算模型（如OpenMP、CUDA的基本概念），以及如何利用现代CPU的向量化指令集（如SSE/AVX）来加速计算密集型任务。 目标读者： 本书适合具备C语言基础，希望深入了解操作系统内部原理、渴望从事系统软件、嵌入式开发、高性能计算或网络协议栈开发的工程师和资深学生。它将帮助读者从应用层思维跳脱出来，真正理解计算机是如何“思考”和“执行”指令的。

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