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出版者:北京大学出版社

作者:孙玉芳

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:17.5

装帧:

isbn号码:9787301005477

丛书系列:

图书标签:

• C语言
• 程序设计
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洞悉软件构建的基石：从硬件底层到高级算法的探秘之旅 书名：嵌入式系统设计与实践：基于RISC-V架构的深度解析 内容提要： 本书旨在为有志于深入理解现代计算系统核心，特别是嵌入式领域的高级技术人员和专业学生提供一本全面、深入且高度实战性的参考指南。我们聚焦于当前快速发展的RISC-V指令集架构（ISA），通过理论的严谨推导与前沿技术的实践结合，构建起一座从底层硬件抽象到复杂软件系统实现的坚实桥梁。本书摒弃了对基础语言语法的冗余介绍，转而将核心精力投入到系统级别的设计、优化、验证以及安全保障之中。 全书共分为五大部分，共计二十二个章节，结构严谨，层层递进。 --- 第一部分：RISC-V 架构深度剖析与工具链构建（约450字） 本部分是理解现代嵌入式系统设计哲学的基石。我们不满足于对RISC-V指令集的表面介绍，而是深入探讨其模块化设计哲学及其对异构计算的支撑能力。 第三章：RISC-V ISA 的特权级与内存模型： 详细解析了User Mode, Supervisor Mode, Machine Mode 的职责划分与上下文切换机制。重点剖析了RV64G扩展集中的原子操作（AMO）指令如何保证多核环境下的数据一致性，并对比了其与传统x86架构内存模型在内存屏障（Fence指令）设计上的关键差异。探讨了向量扩展（Vector Extension, RVV）在数据并行处理中的优势及编程模型。 第四章：工具链的定制与交叉编译环境搭建： 实践指导读者如何从源代码（GCC/LLVM）编译定制化的交叉编译器工具链，以适应特定的片上系统（SoC）配置。内容涵盖了Binutils的配置脚本解析、GDB远程调试器的启动与目标协议（OpenOCD/JTAG）的交互过程。我们将重点演示如何为自定义的ISA扩展（Custom Extensions）集成汇编器和链接器支持。 第五章：汇编语言与底层启动序列： 摒弃传统教学中对汇编的简单罗列，本书侧重于分析操作系统内核的“冷启动”（Cold Boot）过程。通过对Boot ROM代码的逆向分析，详细阐述了时钟初始化、堆栈的建立、MMU/PMP的初始配置，以及最终跳转至C语言 `main` 函数前的所有硬件初始化步骤。 --- 第二部分：高性能内存子系统与缓存一致性（约300字） 现代处理器性能的瓶颈已从CPU频率转移到内存访问延迟。本部分专注于如何设计高效的内存访问策略。 第八章：多级缓存架构与替换策略仿真： 深入探讨了L1 I-Cache, L1 D-Cache, L2/L3 缓存的工作原理。我们提供了一个基于事件驱动的模拟器，用于分析LRU, FIFO等替换算法在高负载下的性能表现，并指导读者如何利用性能计数器（Performance Monitoring Unit, PMU）来量化缓存未命中率（Miss Rate）及分支预测失误。 第九章：DMA控制器设计与零拷贝通信： 讲解了如何高效配置片上DMA引擎，实现数据在外设与内存之间的高速传输，以解放CPU周期。内容包括描述符链（Descriptor Chaining）的编程范式，以及如何利用缓存一致性协议（如MESI/MOESI）确保DMA操作后的数据对CPU可见性。 --- 第三部分：实时操作系统（RTOS）内核的深度定制（约400字） 本部分聚焦于如何在资源受限的嵌入式环境中实现确定性的任务调度与资源管理。 第十二章：上下文切换机制与调度算法的优化： 详尽分析了基于RISC-V的特权级上下文保存与恢复的汇编代码实现。对比了固定优先级继承（Priority Inheritance）和优先上限（Priority Ceiling）协议在解决优先级反转问题时的效率差异。我们将使用实时性分析工具（如WCET分析工具）来评估不同调度策略下的最坏情况执行时间。 第十三章：中断处理与延迟分析： 深入探讨了PLIC（Platform-Level Interrupt Controller）和CLINT（Core Local Interruptor）在中断分发中的作用。重点在于如何设计低抖动的（Low Jitter）中断服务程序（ISR），包括中断延迟的量化测量、关中断时长的控制，以及如何使用原子操作替代临界区锁以提高并发性能。 第十四章：内存保护与虚拟化基础： 介绍RISC-V的PMP（Physical Memory Protection）单元如何用于实现基本的内存隔离，并在Supervisor Mode下配置页表（Page Table）实现地址转换。分析了在构建轻量级虚拟化层时，如何使用S-Mode来管理和拦截U-Mode的敏感指令。 --- 第四部分：系统级安全与固件更新（约250字） 在物联网和工业控制领域，系统安全至关重要。本部分探讨了从硬件信任根（Root of Trust）到空中下载（OTA）更新的完整安全链条。 第十七章：信任根（RoT）与安全启动： 详细解析了基于可信执行环境（TEE）的安全启动流程。如何利用固件签名验证和哈希链机制确保只有经过授权的代码才能被加载执行。重点介绍如何安全地初始化加密硬件加速器。 第十八章：固件OTA与原子性更新： 探讨了A/B分区策略在保证系统更新过程中不“变砖”的机制。内容涵盖了如何设计可靠的元数据（Metadata）结构来追踪当前活动版本和回滚点，以及在应用层如何安全地验证新固件的完整性并切换引导入口。 --- 第五部分：系统验证、调试与性能调优（约100字） 本书的最后部分关注如何确保设计的可靠性和性能达标。 第二十二章：硬件验证与形式化方法应用： 介绍了使用UVM（Universal Verification Methodology）在SystemVerilog环境中对SoC IP模型进行功能验证的流程。同时，简要介绍了形式化验证技术在证明关键安全属性（如无死锁）上的初步应用。 本书目标读者群： 资深的嵌入式软件工程师、系统架构师、对操作系统内核及硬件/软件接口有深入研究兴趣的高级计算机专业研究生。阅读本书要求读者对C语言有扎实的掌握，并对计算机体系结构有初步了解。

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这本书的行文风格非常独特，它不像某些教材那样枯燥乏味，反而带有一种深入浅出的亲和力。作者在描述复杂概念时，经常使用生动的比喻和生活化的场景来辅助理解。比如，在解释内存分配与释放时，作者将内存比作仓库的不同房间，动态分配就像是临时租用房间，而释放内存就像是归还钥匙，这个比喻让我对堆和栈的概念有了豁然开朗的认识。我发现，这本书在代码示例的选择上也颇具匠心。它避免了那些过于简单或过于晦涩的例子，而是选取了恰到好处的复杂度，既能展示语言特性，又不会让初学者望而却步。更值得称赞的是，书中对“为什么”的解释非常到位。它不仅仅告诉我们“如何做”，更重要的是解释了“为什么要这样做”，这对于培养程序员的底层思维至关重要。读完相关章节，我感觉自己对C语言的底层机制有了更深层次的理解，不再是单纯地记忆语法规则，而是真正开始思考程序的执行过程。

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我注意到这本书在项目实践和算法应用方面做了不少铺垫，这对我这种渴望将理论应用于实践的读者来说，简直是福音。虽然它专注于基础教学，但许多章节都巧妙地嵌入了实际应用的蓝图。例如，在讲解文件操作时，书中不仅仅是教你如何读写文件，而是构建了一个简单的日志记录模块的原型，让我看到了C语言在系统级编程中的巨大潜力。此外，书中对标准输入输出流的处理，以及如何用C语言实现简单的数据结构，比如链表和栈，都讲解得非常透彻，并提供了完整的可运行代码。这些实践性的内容，让我能够快速地将学到的语法知识转化为实际的编程能力。对于那些希望未来从事嵌入式或底层开发工作的人来说，这本书无疑提供了一个坚实且务实的起点，它教会的不仅仅是C语言的皮毛，更是编程的“骨架”。

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这本书最让我感到惊喜的是它对调试技巧和错误处理的重视程度。在学习C语言的过程中，调试往往是学习曲线最陡峭的部分，因为许多错误，尤其是内存相关的错误，难以追踪。这本书并没有回避这些“脏活累活”，而是专门辟出章节详细讲解了如何使用调试工具（比如GDB的常用命令）来定位程序中的bug。它列举了常见的编译错误、运行时错误以及逻辑错误，并针对每一种错误给出了清晰的排查步骤和解决方案。这种近乎“保姆式”的指导，极大地减轻了我在遇到问题时的挫败感。通过学习这些内容，我学会了如何以一种更系统、更科学的方式面对程序错误，这比单纯学习语法知识要宝贵得多。它培养的不仅仅是C语言的知识，更是一种严谨的、面向解决问题的工程师素养。

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这本书的封面设计给我一种非常扎实的学术气息，让人联想到严谨的教学态度。初翻阅目录时，我注意到它对C语言基础知识的覆盖非常全面，从变量、数据类型到流程控制，每一个环节都讲解得细致入微。特别是对于指针这一C语言的精髓，作者似乎投入了极大的笔墨，通过大量的实例和图示来剖析其复杂性，这一点对于初学者来说是极其友好的。我尤其欣赏它在讲解每一个新概念时，都会紧接着给出一些贴近实际应用的例子，而不是空泛的理论堆砌。比如，在讲解结构体和共用体时，作者就模拟了如何用它们来构建一个简单的学生信息管理系统，这种“学以致用”的模式极大地增强了我的学习动力。此外，书中对标准库函数的介绍也相当详尽，每一个常用函数的功能、参数和返回值都被清晰地列出，方便查阅和记忆。整体而言，这本书就像一位经验丰富的老师，耐心且有条理地引导着读者一步步深入C语言的世界，没有丝毫的浮躁感。

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这本书的排版和视觉效果给我留下了深刻的印象。在信息爆炸的时代，一本内容充实的教材如果排版混乱，阅读体验也会大打折扣。然而，这本书在这方面做得非常出色。字体选择清晰易读，关键代码块和重要术语都用粗体或不同的颜色进行了高亮区分，使得重点一目了然。目录的设计也体现了作者的逻辑思维，章节间的递进关系处理得非常自然流畅。我特别喜欢它在每章末尾设置的“自测与思考”环节。这些问题设计得非常巧妙，既有对知识点的直接考察，也有需要综合运用多个知识点才能解决的开放性问题，极大地激发了我主动探索和解决问题的能力。每当完成一个章节的学习，做完这些思考题后，我都会有一种扎实的成就感，仿佛自己真的掌握了这部分知识，而不是被动地接收信息。这种积极的反馈机制，对于维持长期的学习热情非常有帮助。

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