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页数:283

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出版时间:2007-12

价格:26.00元

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isbn号码:9787811056167

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跨越数字洪流：现代信息技术与编程实践指南 本书导言： 在当今这个信息技术飞速迭代的时代，理解和掌握底层硬件逻辑与上层软件实现的桥梁至关重要。本书并非专注于传统的电路理论与模拟信号处理，而是将目光投向了数字世界的基石——微处理器架构、嵌入式系统开发、面向对象编程范式以及数据结构与算法的实际应用。它旨在为那些渴望从“用户”转变为“构建者”的读者，提供一套系统且深入的实践路径。我们深知，现代电子与信息领域已不再是孤立的学科，而是高度融合的产物，因此，本书的构建遵循了从基础概念到复杂系统集成的多层次结构。 第一部分：现代计算核心与低层接口 本部分聚焦于现代计算设备的心脏——CPU与内存系统，并探讨如何高效地与之交互。 第一章：微处理器架构基础与汇编语言入门 本章首先剖析冯·诺依曼与哈佛架构的现代演进，重点介绍流水线技术、缓存层次（L1, L2, L3）对程序性能的影响。我们将深入研究指令集架构（ISA），对比RISC与CISC的哲学差异，并以主流的ARM架构为例，详细解析寄存器组织、寻址模式与数据传输指令。随后，读者将学习汇编语言编程，这不是为了取代高级语言，而是为了理解编译器生成的底层机器码是如何精确控制硬件资源的。通过编写简单的循环、分支和子程序调用，读者将建立对程序执行流程的直观认识。 第二章：内存管理与操作系统交互 内存是程序运行的战场。本章详述虚拟内存的概念，包括分页、分段机制，以及操作系统如何通过内存管理单元（MMU）实现隔离与保护。我们将探讨堆（Heap）与栈（Stack）的生命周期管理，以及内存泄漏在实际项目中的成因与诊断工具的使用。操作系统作为资源调度者，其内核机制对于高性能计算至关重要。本章后续内容将涉及进程与线程的区别、并发与并行性的概念，并重点介绍互斥锁、信号量等同步原语在多线程编程中的应用，强调死锁的预防与检测。 第三章：总线通信与外设驱动 现代嵌入式系统和计算机系统依赖于复杂的总线结构进行数据交换。本章详细解析PCIe、SPI、I2C等主流总线协议的工作原理、时序图与仲裁机制。理解这些协议，是进行硬件驱动开发（Device Driver）的基础。我们将引导读者设计一个简单的硬件抽象层（HAL），模拟对GPIO（通用输入输出）端口的控制，并学习如何使用中断机制处理异步事件，而非依赖低效的轮询方式。 第二部分：面向对象范式与系统级编程 掌握了底层交互后，本部分将重点转向如何使用高级语言构建健壮、可维护的复杂软件系统。 第四章：深入C++与现代面向对象设计 C++作为系统编程的首选语言，其复杂性源于其强大的抽象能力。本章不再停留在基础语法，而是深入探讨C++11/17/20标准引入的关键特性，如右值引用、移动语义、Lambda表达式的底层实现原理。我们将详细分析RAII（资源获取即初始化）的编程哲学，并结合智能指针（`unique_ptr`, `shared_ptr`）展示如何在不依赖垃圾回收机制的情况下实现资源安全管理。面向对象设计（OOD）部分，将通过实际案例讲解SOLID原则，并重点解析多态性在设计模式（如工厂模式、观察者模式）中的灵活运用。 第五章：数据结构与高级算法分析 算法是解决问题的核心。本章从时间复杂度和空间复杂度的精确度量入手，引入渐近分析（大O、Ω、Θ记法）。数据结构部分，我们将超越基础的链表和树，深入研究B树及其变体在数据库索引中的应用，以及Trie树在字符串匹配中的高效性。算法部分，我们将重点研究图论算法的实用性——Dijkstra最短路径算法、最小生成树（Prim/Kruskal），并探讨动态规划在优化问题中的解题框架。对哈希表的冲突解决策略（开放寻址法与链地址法）的深入理解，是构建高性能数据存储的基础。 第六章：网络协议栈与并发通信 现代应用无不依赖网络。本章系统地梳理TCP/IP协议栈，从数据链路层（ARP, MAC地址）开始，逐层深入到网络层（IPv4/v6路由选择）和传输层（TCP的三次握手、慢启动、拥塞控制）。传输层协议的选择（TCP的可靠性与UDP的低延迟特性）将通过具体场景进行对比分析。随后，我们将利用Socket API进行编程实践，构建一个简单的客户端-服务器模型，并引入非阻塞I/O（如`select`/`poll`）和I/O多路复用技术，以高效处理高并发连接。 第三部分：嵌入式与物联网（IoT）的软件实现 将前两部分知识融会贯通，本部分侧重于资源受限环境下的软件开发实践。 第七章：实时操作系统（RTOS）原理与应用 在对时间要求严格的系统中，RTOS是不可或缺的。本章解析RTOS与通用操作系统（如Linux）在调度策略、上下文切换开销和确定性方面的核心差异。我们将研究FreeRTOS或Zephyr等主流RTOS的任务管理、调度算法（如优先级继承、抢占式调度），并重点讲解如何使用消息队列（Message Queue）和信号量安全地在不同任务间传递数据和同步事件。 第八章：传感器数据采集与低功耗设计 嵌入式系统的常见任务是与物理世界交互。本章涵盖模数转换器（ADC）的工作原理，包括采样率、量化误差和过采样技术。针对电池供电设备，我们将深入探讨电源管理策略，包括CPU的睡眠模式（Stop Mode, Sleep Mode）、时钟门控（Clock Gating）以及外设的动态电源关闭技术，量化分析这些技术对系统续航时间的影响。 第九章：固件安全与OTA（Over-The-Air）更新 随着设备接入互联网，安全问题变得尤为突出。本章讨论嵌入式设备面临的安全挑战，如代码重放攻击、侧信道攻击的原理。我们将介绍基本的加密算法应用（如AES, RSA的简要介绍），以及如何使用数字签名来验证固件的完整性和真实性。最后，我们将设计一个简化的OTA更新流程，涉及固件分块存储、回滚机制与版本校验，确保远程升级过程的健壮性。 结语： 本书构建了一个从硅片到云端逻辑的完整技术栈。它要求读者不仅要理解代码的语法，更要探究代码执行时硬件资源的消耗与交互方式。通过大量的代码示例和系统级的案例分析，读者将有能力设计、实现并优化复杂、高效且可靠的现代计算系统。

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