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页数:107

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出版时间:2008-6

价格:15.00元

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isbn号码:9787302172536

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• 电子设计自动化
• EDA
• 数字电路
• 模拟电路
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• 实验教程
• 电子工程
• 集成电路设计

高级微处理器系统设计与实践 前言 本书旨在为读者提供一套全面而深入的微处理器系统设计与实践的知识体系。随着信息技术的飞速发展，高性能、低功耗的嵌入式系统已成为电子设计领域的核心。掌握现代微处理器的架构、指令集、存储器管理、中断处理以及外设接口技术，是工程师和研究人员必备的关键能力。本书内容涵盖了从基础理论到前沿应用的多个层面，力求通过详实的理论阐述和丰富的实践案例，帮助读者构建扎实的工程基础和解决复杂问题的能力。 第一部分 基础架构与指令集分析 第一章 微处理器系统概述 本章首先界定了微处理器（MPU）与微控制器（MCU）的基本区别与联系，并追溯了自8位到64位处理器的发展历程。重点分析了现代处理器的核心结构，包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器组以及流水线设计。我们深入探讨了冯·诺依曼结构与哈佛结构的优劣及其在不同应用场景中的适用性。此外，本章还概述了系统总线（数据总线、地址总线、控制总线）的工作原理及仲裁机制。 第二章 处理器核心指令集架构（ISA） 本章聚焦于当前主流的指令集架构，特别是RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）的设计哲学。详细分析了RISC-V架构的开放性和可扩展性，并对比了ARM Cortex-A系列的核心指令集特性，如条件执行、加载/存储架构。内容涵盖了数据处理指令、分支跳转指令、访存指令以及系统控制指令的编码方式和执行周期。特别强调了汇编语言编程与高级语言编译后代码之间的映射关系。 第三章 存储系统与内存管理 存储器是决定系统性能的关键因素。本章深入剖析了处理器如何与多级存储体系结构协同工作。内容包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的内部结构、读写时序以及关键参数。核心章节探讨了存储器管理单元（MMU）的功能，包括虚拟地址到物理地址的转换过程、页表结构、TLB（快表）的工作机制及其对系统性能的影响。此外，还讲解了缓存（Cache）的层次结构、写策略（直写、回写）以及一致性维护协议。 第二部分 嵌入式系统编程与实时性 第四章 汇编语言程序设计与优化 本章提供了一套系统的汇编语言学习路径，以主流处理器（如ARMv8或RISC-V）为例，指导读者编写高效的底层代码。内容覆盖了寄存器操作、堆栈管理、函数调用约定（Calling Convention）以及中断服务程序（ISR）的编写规范。通过具体实例演示如何对关键算法（如乘法、位操作）进行手工优化，以达到超越编译器的性能要求。 第五章 中断与异常处理机制 中断是实现系统实时响应和多任务调度的基石。本章详尽解析了处理器内部的中断控制器（如PLIC或VIC）的工作原理，包括中断的优先级设置、向量表查找、上下文的自动保存与恢复过程。我们讨论了硬件中断、软件中断和系统异常（如页错误、总线错误）的触发条件、处理流程以及系统恢复机制。本章特别关注如何设计低延迟、无竞争的中断服务例程。 第六章 实时操作系统（RTOS）基础与调度 在嵌入式系统中，对时间约束的满足至关重要。本章引入了实时操作系统的概念，对比了通用操作系统（如Linux）与RTOS在内核设计上的差异。详细介绍了任务管理（创建、就绪、阻塞、删除）、同步与互斥机制（信号量、互斥锁、消息队列）的实现原理。重点分析了任务调度算法，如固定优先级抢占式调度、轮转调度以及最早截止时间优先（EDF）调度算法，并结合实际RTOS内核（如FreeRTOS或Zephyr）进行代码分析。 第三部分 系统集成与外设接口 第七章 通用输入/输出（GPIO）与定时器 GPIO是处理器与外部世界交互的基础。本章讲解了GPIO端口的配置模式（输入、输出、推挽、开漏）及上拉/下拉电阻的作用。随后深入探讨了处理器内部的定时器模块，包括通用定时器、看门狗定时器和脉冲宽度调制（PWM）单元的编程接口。通过具体时钟源和分频器的配置，演示如何实现精确的周期性事件触发和占空比控制。 第八章 通信接口技术：UART、SPI与I2C 串行通信是嵌入式系统互联互通的核心技术。本章系统讲解了三种最常用的片上通信协议的物理层和协议层规范。 UART（通用异步收发传输器）： 波特率、奇偶校验的计算与配置。 SPI（串行外设接口）： 主/从模式、时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的四种模式及其在高速数据传输中的应用。 I2C（集成电路间总线）： 7位/10位地址寻址、仲裁机制以及广播通信。 本书提供了在不同场景下选择最合适通信协议的决策指南。 第九章 模数转换（ADC）与数模转换（DAC） 本章关注处理器如何处理模拟信号。详细介绍了ADC的工作原理，包括采样定理、量化误差、参考电压的重要性。深入分析了不同类型的ADC架构（逐次逼近型SAR、Sigma-Delta）的性能特点。对于DAC，则讲解了其在信号生成中的应用，如波形合成。实验部分强调了DMA（直接存储器访问）在高效数据采集中的作用，以避免CPU在数据搬运中产生延迟。 第十章 内存映射与总线控制 理解处理器如何与外部设备通信，需要掌握内存映射I/O（MMIO）的概念。本章阐述了如何将外设寄存器映射到特定的地址空间，以及如何通过读写这些地址来控制硬件。针对系统级设计，本章还探讨了总线接口单元的设计，包括数据宽度匹配、突发传输的实现以及如何设计简单的外部总线仲裁逻辑以支持多个主设备。 结论与展望 本书通过理论构建和实践验证相结合的方式，为读者打下了坚实的微处理器系统设计基础。未来的发展趋势将集中在异构计算、片上系统（SoC）集成度提升以及更严格的安全性和功耗管理上。鼓励读者在掌握本书内容后，进一步探索FPGA加速、硬件描述语言（HDL）以及特定领域架构（如DSP或AI加速器）的应用，以应对日益复杂的电子系统挑战。

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读完这本书后，我产生了一种强烈的冲动，想要立刻回到工作台前，重新审视我过去处理的一些设计决策。这本书成功地在我的思维深处播下了一颗“更优解”的种子。它不只是教授技能，它更是在重塑你的设计哲学。例如，它对系统级思考的强调，让我开始跳出单一模块的限制，去审视整体的功耗、时序和可测试性之间的复杂权衡。书中对设计迭代过程的描述，那种充满“试错”和“修正”的真实感，远比那些教科书上完美无瑕的流程图要来得贴近现实。它教会我尊重设计中的不确定性，并用系统化的方法去管理这种不确定性，而不是试图完全消除它。这种底层思维模式的转变，才是任何技术书籍能给予读者的最宝贵的财富。

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对于我这样的职业人士而言，时间成本是极其宝贵的。一本好的参考书，应当能够迅速定位问题并提供解决方案的切入点。这本书在这方面表现得非常出色，它的索引系统和章节划分逻辑，体现了对实际工作场景的深刻理解。当你遇到一个特定类型的设计瓶颈时，你几乎可以凭直觉翻到那一章节，找到对应的章节标题，立刻就能找到相关的理论支撑和潜在的优化方向。它不是那种需要从头读到尾的“文学作品”，而是一个随时可以取用的“工具箱”。更妙的是，书中对不同技术路线的优缺点分析极为客观公正，没有陷入对某一特定工具或平台的盲目推崇，而是基于工程实践的考量，引导读者建立起批判性的思维框架，这对于制定长远的研发策略至关重要。这种务实精神，让这本书在众多理论著作中脱颖而出，成为案头不可或缺的工具书。

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初次翻阅这本技术书籍，就被其严谨的结构和深入浅出的讲解所吸引。作者似乎深谙技术小白到进阶工程师之间的那道鸿沟，用一种近乎手把手的口吻，将那些晦涩的理论知识点层层剥开，辅以大量的实例和图示，使得即便是初次接触相关领域的人，也能快速建立起对核心概念的直观理解。尤其值得称道的是，书中对于设计流程的梳理，逻辑清晰得像一张精密的路线图，让你在面对复杂项目时，不再感到迷茫无措。它不仅仅是知识的罗列，更像是一位经验丰富的前辈，在旁边为你指点迷津，告诉你“这一步该注意什么”、“那个参数意味着什么影响”。这种实战导向的叙事方式，极大地提升了阅读的效率和知识的转化率，让人感觉手中握着的不是一本冰冷的教科书，而是一份沉甸甸的实践指南。对于渴望从理论走向实践的读者来说，这本书无疑是打开新世界大门的一把金钥匙，其带来的启迪和信心是难以用言语衡量的。

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这本书的排版设计与内容深度形成了奇妙的平衡，既保证了阅读的舒适性，又在专业性上毫不妥协。我特别欣赏作者在论述高级主题时所展现出的那种对细节的偏执。很多同类书籍往往在关键的、需要深入探究的部分草草收场，留给读者无限的猜想和自我摸索的时间，但这本教材却反其道而行之。它似乎在刻意挑战读者的理解极限，但总能在你即将感到气馁时，及时抛出一个巧妙的比喻或者一个巧妙的数学推导，将复杂的系统分解为可以掌控的部分。这使得每一次的阅读过程，都像是一场智力上的攀登，每征服一个知识点，都有种豁然开朗的成就感。它强迫你动脑，而不是仅仅被动接受信息，这种互动的学习体验，才是真正促进能力成长的良药。可以说，它提供的不仅仅是“是什么”，更是“为什么是这样”的深刻洞察。

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这本书的语言风格，用一个词来形容就是“沉稳的激情”。作者在描述技术难点时，那种近乎教诲的严肃中，却流淌着对电子设计艺术本身的热爱。这种情感的传递是微妙的，它让你感受到，你正在学习的不仅仅是一堆公式和规则，而是一个充满创造性和挑战性的领域。很多技术书籍的叙述都过于平铺直叙，读起来让人昏昏欲睡，但这本书的每一段落都像是精心打磨过的，有其内在的节奏和张力。它引导读者从宏观的系统架构，一步步深入到微观的器件层面，这种视角转换的处理得极其自然，让人感觉仿佛在一位大师的引导下，俯瞰整个设计版图，然后又亲自下到车间去检验每一个细节。这种兼具高度和深度的阅读体验，让人欲罢不能，并为后续深入研究指明了方向，激发了持续探索的热情。

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