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出版者:

作者:徐淑华 编

出品人:

页数:441

译者:

出版时间:2008-3

价格:39.80元

装帧:

isbn号码:9787121061714

丛书系列:

图书标签:

• 有
• 电工技术
• 电子技术
• 电路分析
• 电力系统
• 电子元件
• 传感器
• PLC
• 自动化
• 高压电
• 电磁场理论

探秘数字世界的基石：微处理器架构与嵌入式系统设计 本书聚焦于现代电子工程领域的核心驱动力——微处理器架构的深层原理及其在嵌入式系统中的实际应用。 在当今这个万物互联、智能化飞速发展的时代，几乎所有智能设备、工业控制系统乃至日常电子产品的心脏，都依赖于高效、可靠的微处理器。本书旨在为读者提供一个从底层硬件到上层软件交互的全面、深入的认知框架，而非停留在基础电路的表层知识。 第一部分：深入理解计算的根基——现代处理器架构 本部分将彻底解构当代主流微处理器（如ARM Cortex系列、RISC-V架构）的设计哲学、内部组织和工作机制。我们关注的重点是性能、功耗与面积（PPA）的权衡艺术。 第一章：指令集架构（ISA）的演进与选择 精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）的现代融合： 详细分析CISC（如x86）和RISC（如ARMv8/v9）在现代设计中的取舍。探讨指令编码、寻址模式的效率对比。 条件执行与分支预测： 深入剖析现代处理器如何通过复杂的流水线技术来应对控制流的不确定性。讲解分支目标缓冲区（BTB）、历史记录寄存器在提升指令发射率中的关键作用。 内存一致性模型与内存屏障： 针对多核环境，探讨不同的内存模型（如弱一致性模型）对程序正确性的影响，以及程序员和编译器如何使用内存屏障（Memory Barriers）来强制指令排序。 第二章：流水线、超标量与乱序执行 深度流水线的挑战与优化： 详细讲解五级、十级乃至更深流水线的工作原理，重点分析结构冲突、数据冲突和控制冲突。介绍转发/旁路路径（Bypass Paths）如何解决数据依赖。 超标量架构的设计： 分析如何利用多个执行单元并行处理指令。讨论指令级并行性（ILP）的提取技术，包括指令窗口、重命名寄存器和后退（Retirement）机制。 乱序执行（Out-of-Order Execution, OoOE）： 这是现代高性能CPU的核心技术。我们将详细阐述基于保留站（Reservation Stations）和重排序缓冲器（Reorder Buffer, ROB）的动态调度机制，确保程序在乱序执行后结果的正确性。 第三章：存储系统层次结构与缓存设计 多级缓存的理论基础： 讲解局部性原理（时间局部性与空间局部性）如何驱动缓存的设计。深入分析L1、L2、L3缓存的容量、延迟与关联度的设计权衡。 缓存一致性协议： 重点讲解多核系统中MESI协议及其变种（如MOESI, MSI）如何确保所有处理器看到一致的数据视图，这是构建高并发系统的基础。 虚拟内存与地址翻译加速： 阐述MMU（内存管理单元）如何工作，TLB（转换后援缓冲器）的命中率对系统性能的决定性影响，以及页表遍历过程的优化。 第二部分：构建智能世界的桥梁——嵌入式系统设计实践 本部分将理论知识应用于实际的软硬件集成项目，重点关注资源受限环境下的系统构建与优化。 第四章：嵌入式微控制器（MCU）的片上系统（SoC）解析 外设交互的底层逻辑： 深入讲解中断控制器（NVIC/PLIC）、定时器、DMA（直接内存访问）控制器的工作流程。理解如何通过寄存器配置来高效地驱动这些硬件模块，避免CPU的无效干预。 总线架构与互联： 比较AHB、APB、AXI等常见的片上总线协议，分析它们在数据带宽、延迟和仲裁机制上的差异，以及这些差异如何影响外设的性能瓶颈。 低功耗设计策略： 探讨睡眠模式、时钟门控（Clock Gating）和电源域隔离（Power Domain Isolation）在移动和物联网设备中的实现，这是嵌入式系统生命周期管理的关键。 第五章：实时操作系统（RTOS）的核心机制 任务调度算法的实战： 对固定优先级抢占式调度、轮转调度和最早截止时间优先（EDF）等调度策略进行数学建模和性能分析。 同步与互斥机制的陷阱： 详细分析信号量、互斥锁、临界区的使用场景。重点讨论优先级反转问题及其解决方案（如优先级继承协议、优先级天花板协议）。 内存管理在RTOS中的体现： 比较静态内存池、动态堆栈管理与伙伴系统（Buddy System）在嵌入式实时环境下的优缺点，关注内存碎片化对系统稳定性的影响。 第六章：固件的启动流程与调试技术 从芯片上电到用户程序执行： 详细梳理微控制器的启动序列，包括复位向量的读取、初始化堆栈、零页的初始化（.bss段清零）以及进入主函数`main()`前的所有系统初始化步骤。 调试接口的深度利用： 不仅仅是学会使用断点。深入讲解JTAG/SWD协议的握手过程、硬件观察点（Watchpoints）的工作原理，以及如何利用CoreSight等高级跟踪技术进行实时事件记录。 固件更新与安全机制： 探讨OTA（Over-The-Air）更新机制的原子性与回滚策略。初步介绍信任根（RoT）和安全启动（Secure Boot）在保证设备完整性中的基础作用。 本书特色： 本书通过大量的架构图示、性能对比分析和基于真实处理器的代码示例（不涉及特定商业芯片的SDK细节，而是基于通用硬件描述语言的原理模型），帮助读者建立起“硬件如何驱动软件”和“软件如何榨干硬件性能”的完整认知链条。它面向的读者是对计算系统底层逻辑有强烈探索欲的工程师、计算机科学专业的进阶学生，以及希望从应用层深入到系统层的技术人员。学习完本书，读者将能独立分析和优化复杂嵌入式系统的性能瓶颈，并理解下一代处理器的设计趋势。

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