Computers as Components

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出版者:Morgan Kaufmann Publishers
作者:Wayne Wolf
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2000-12-15
价格:USD 68.95
装帧:Paperback
isbn号码:9781558606937
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • UED
  • 计算
  • 组件
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具体描述

《嵌入式系统设计:硬件与软件的协同进化》 本书深入探讨了现代嵌入式系统设计的核心理念与实践方法。在快速发展的科技浪潮中,嵌入式系统已渗透到我们生活的方方面面,从智能家居到工业自动化,从车载电子到医疗设备,无处不在。理解并掌握嵌入式系统的设计原理,对于开发下一代智能化、互联化的产品至关重要。 本书的重点在于揭示硬件与软件之间如何紧密协作,共同驱动嵌入式设备的性能与功能。我们不再将硬件视为孤立的实体,也不将软件视为抽象的代码集合,而是将其视为一个相互依存、协同进化的整体。 核心内容概览: 1. 嵌入式系统的架构与分类: 基本组成: 详细解析微控制器(MCU)、微处理器(MPU)等核心处理单元的结构、指令集架构(ISA)以及不同架构的优劣势。探讨内存(RAM、ROM、Flash)、输入/输出(I/O)接口(GPIO、UART、SPI、I2C、USB、Ethernet等)、定时器、中断控制器等关键硬件模块的功能与作用。 系统层次: 深入剖析嵌入式系统的多层级架构,包括裸机层、操作系统层(RTOS)、中间件层以及应用层。理解各层之间的交互关系,以及它们如何共同为上层应用提供服务。 分类与应用场景: 介绍不同类型的嵌入式系统,如面向特定任务的专用嵌入式系统(如遥控器)、通用嵌入式系统(如智能手机)、以及大规模分布式嵌入式系统(如物联网设备)。结合具体的应用场景,如消费电子、汽车电子、工业控制、医疗设备、通信系统等,阐述嵌入式系统在该领域的独特挑战与设计考量。 2. 硬件平台选择与优化: 处理器的选择: 分析ARM、RISC-V、x86等主流处理器架构的特点,以及如何根据应用需求(如功耗、性能、成本、实时性)进行选择。 外围设备接口设计: 详细讲解如何根据数据传输速率、信号特性、驱动能力等需求,选择和配置合适的I/O接口。探讨总线协议的选择与优化,以及硬件驱动的设计原则。 功耗管理: 介绍低功耗设计技术,包括时钟门控、电源门控、动态电压频率调整(DVFS)、休眠模式等。探讨如何通过硬件与软件的协同,最大程度地延长电池寿命。 安全性设计: 讲解硬件安全模块(HSM)、加密引擎、安全启动、内存保护单元(MPU)等安全机制,以及如何构建安全的嵌入式系统,抵御潜在的网络攻击和物理篡 إليها。 3. 软件开发与嵌入式操作系统: 裸机编程: 介绍直接在硬件上进行编程的方法,理解硬件寄存器的操作,以及中断服务程序的编写。强调理解底层硬件对于高效开发的重要性。 嵌入式实时操作系统(RTOS): 深入讲解RTOS的核心概念,如任务调度(优先级调度、时间片轮转)、任务间通信(信号量、互斥量、消息队列、事件标志)、中断管理、内存管理等。重点介绍VxWorks, FreeRTOS, RT-Thread等主流RTOS的特点与应用。 驱动程序开发: 讲解设备驱动程序的编写原则与技巧,如何屏蔽硬件细节,为上层应用提供统一的接口。分析不同类型的驱动,如字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动等。 中间件与协议栈: 探讨网络协议栈(TCP/IP, UDP, HTTP)、文件系统、图形用户界面(GUI)库等中间件的作用。分析如何利用这些组件加速产品开发,并实现复杂的功能。 应用程序开发: 介绍嵌入式应用程序的设计模式,如状态机、生产者-消费者模型。强调代码的模块化、可读性与可维护性。 4. 硬件与软件的协同设计与调试: 系统集成: 探讨硬件与软件集成过程中可能遇到的问题,如时序冲突、资源竞争、接口不匹配等。提出系统级联调的策略与方法。 开发工具链: 详细介绍交叉编译、调试器(JTAG, SWD)、逻辑分析仪、示波器、内存分析工具等嵌入式开发常用工具的使用。 嵌入式Linux开发: 深入讲解嵌入式Linux的构建过程,包括引导加载程序(Bootloader)、内核配置与编译、根文件系统构建、设备树(Device Tree)的使用,以及应用程序在嵌入式Linux环境下的开发与部署。 敏捷开发与DevOps: 介绍在嵌入式领域应用敏捷开发方法和DevOps理念,如何通过持续集成、持续部署(CI/CD)来提高开发效率和产品质量。 5. 前沿技术与未来趋势: 物联网(IoT)与边缘计算: 探讨如何设计适用于物联网和边缘计算的嵌入式系统,包括低功耗通信、数据采集与预处理、安全通信协议等。 人工智能(AI)在嵌入式系统中的应用: 介绍嵌入式AI(TinyML)的发展,如何将机器学习模型部署到资源受限的嵌入式设备上,实现本地智能。 功能安全与可靠性: 强调在汽车、医疗等高可靠性领域,功能安全标准(如ISO 26262, IEC 61508)的重要性,以及如何通过设计与验证来满足这些要求。 《嵌入式系统设计:硬件与软件的协同进化》旨在为工程师、开发者、研究人员以及对嵌入式技术感兴趣的读者提供一个全面、深入的学习平台。通过理论与实践相结合的方式,帮助读者构建扎实的专业知识,掌握高效的开发技巧,从而在不断发展的嵌入式技术领域取得成功。

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本书的最后部分着墨于系统级可靠性和功耗管理,这体现了作者对“真实世界”工程挑战的深刻理解。在硬件设计中,散热和能耗往往是限制性能发挥的终极因素,书中对热设计功耗(TDP)的计算模型和动态频率调整(如Intel SpeedStep或AMD PowerNow!)的底层实现机制进行了详尽的论述,这些技术是如何在保证性能的前提下,满足严格的功耗预算的。此外,错误检测与修正(ECC)内存的工作原理、RAID阵列在数据冗余和性能恢复中的作用,以及系统启动过程中的POST(开机自检)流程,都被条分缕析地展示出来。这些看似琐碎但至关重要的环节,构成了整个计算机系统稳定运行的基石。阅读这些章节时,我感觉自己不再只是一个使用者,而是一个能够理解设备“呼吸与心跳”的工程师。它教导我们,一个优秀的计算机组件,不仅要跑得快,更要站得稳,持续稳定地工作,这种对整体稳定性的关注,是这本书最宝贵的财富之一,也是区分高级技术书籍与入门指南的关键所在。

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在图形处理单元(GPU)和加速器这一章,作者展现出了极强的与时俱进的能力。显然,现代计算已经不再是CPU的“独角戏”,本书非常到位地描绘了GPU从简单的图形渲染工具,蜕变为通用并行计算引擎(GPGPU)的过程。书中对CUDA或OpenCL等并行编程模型背后的硬件支持进行了精妙的拆解,例如,SM(流多处理器)的结构、线程束(Warp/Wavefront)的调度方式,以及高带宽内存(HBM)如何解决传统DRAM的带宽限制。这种从软件接口反推硬件设计思路的讲解方式,非常有助于理解现代深度学习框架的性能瓶颈所在。更难能可贵的是,作者并未忽略其他类型的加速器,如FPGA在特定算法加速中的优势,以及专用AI芯片(ASIC)的设计哲学,这些内容拓宽了我的视野,让我认识到“组件”的概念已经远远超出了传统的CPU和内存范畴。这本书对于理解异构计算架构下的数据搬运和同步机制的讨论,深度和广度兼备,为我理解下一代高性能计算集群的构建提供了坚实的理论基础。

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这部关于计算机硬件的书籍,给我的感觉就像是走进了一个精密仪器的迷宫,里面的每一个环节都透露着严谨的工程美学。作者对中央处理器(CPU)的深入剖析简直是教科书级别的,从早期的冯·诺依曼结构到现代多核、多线程的复杂设计,讲述得既有历史的纵深感,又不失技术的尖端性。我特别欣赏他对流水线技术和缓存层级(L1, L2, L3)如何协同工作以榨取最大性能的解释,那部分内容让我这个自认为对计算机有一定了解的读者,都感到茅塞顿开。书中对不同代际处理器之间的性能差异,并非简单地罗列参数,而是通过生动的案例和图表展示了架构优化带来的革命性进步。比如,关于分支预测单元(Branch Predictor)的算法讨论,虽然涉及一些复杂的概率论基础,但作者巧妙地将其与实际运行中的效率提升联系起来,让人理解了为什么看似微小的设计决策,最终会决定一款芯片的生死。此外,内存控制器(Memory Controller)的设计逻辑也被梳理得井井有条,它如何与主板上的南桥/PCH进行高效通信,确保数据流的顺畅,这部分内容对于系统级性能调优的爱好者来说,简直是无价之宝。这本书的深度足以让电子工程专业的学生奉为圭臬,同时,其清晰的逻辑结构也能引导资深的技术爱好者进一步探索底层硬件的奥秘,绝非泛泛而谈的科普读物。

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这本书对于I/O子系统的讲解,展现了一种系统集成商的视角,而非仅仅关注单个组件的性能。它不是简单地列出PCIe的版本和带宽,而是深入剖析了总线仲裁机制和中断处理流程。特别是对DMA(直接内存访问)的阐述,清晰地描绘了数据如何在不占用CPU资源的情况下,在I/O设备和内存之间直接传输,这对于理解高性能网络卡或图形处理器的工作模式至关重要。书中对串行和并行接口的演变进行了梳理,从早期的IDE到SATA、SAS,再到如今的NVMe over Fabrics,每一步技术迭代的驱动力都被剖析得淋漓尽致。我尤其赞赏作者在处理复杂互联拓扑时的能力,例如,在多路处理器系统中,如何设计片上网络(NoC)来最小化延迟并避免数据冲突,这部分内容通常只有在专业的研究论文中才能找到如此详尽的论述。即便是对看似简单的USB接口,书中也涵盖了从枚举过程到电源管理协议的方方面面,确保读者对这个最贴近用户的接口也有足够的底层认知。读完全部关于I/O的内容后,我再看任何一个外部设备的性能测试报告时,都能立刻联想到背后的硬件握手机制,这无疑极大地提升了我对系统瓶颈的判断能力。

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翻开这本书的章节,我立刻被它对存储技术的全面覆盖所吸引。如今,固态硬盘(SSD)已经取代了机械硬盘(HDD)成为主流,但这本书并未止步于此,而是细致地探讨了NAND闪存单元的工作原理,包括SLC、MLC、TLC乃至QLC的写入/擦除特性和寿命差异。那种对细节的执着令人印象深刻,它不仅仅告诉你SSD快,而是告诉你“为什么快”,以及在不同负载场景下,它们各自的局限性何在。关于虚拟内存和页面置换算法的讨论,更是将操作系统和硬件紧密地编织在一起,让我清晰地看到了CPU如何通过MMU(内存管理单元)将逻辑地址映射到物理地址,以及TLB(转换后援缓冲区)在加速这一过程中的关键作用。对于传统的磁盘驱动器,书中对磁头寻道时间、旋转延迟等指标的分析,依然保留了足够的篇幅,这对于理解历史遗留代码和某些特定高性能计算场景下的I/O瓶颈依然至关重要。更让我惊喜的是,作者还穿插了对新型存储技术如MRAM或ReRAM的前瞻性介绍,虽然是前沿领域,但作者的论述平衡了技术成熟度和未来潜力,让人在学习基础的同时,也对未来的计算架构保持着好奇心。阅读下来,感觉自己对“数据存放在哪里”和“数据如何被取出”这两个看似简单的问题,有了革命性的认识。

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