微机原理及应用

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出版者:
作者:杨康
出品人:
页数:250 页
译者:
出版时间:2008年01月
价格:28.0
装帧:平装
isbn号码:9787502627683
丛书系列:
图书标签:
  • 微机原理
  • 计算机基础
  • 汇编语言
  • 数字电路
  • 单片机
  • 嵌入式系统
  • 计算机组成原理
  • 电子技术
  • 应用
  • 教材
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具体描述

《21世纪应用型机电专业规划教材•微机原理及应用》丛书名《21世纪应用型机电专业规划教材》。

现代操作系统内核设计与实现 书籍简介 本书系统深入地探讨了现代操作系统(Operating System, OS)内核的结构、核心组件、关键技术及其实现原理。旨在为读者提供一个清晰、全面且具有实践指导意义的操作系统内核设计蓝图,使读者不仅理解理论概念,更能掌握如何构建一个高效、稳定且安全的多任务操作系统。 本书面向具有一定计算机体系结构和编程基础的读者,包括系统程序员、嵌入式开发工程师、操作系统研究人员以及希望深入理解计算机底层运作机制的计算机科学专业学生。 --- 第一部分:操作系统内核基础与架构 第1章:操作系统的角色与内核的地位 本章首先界定操作系统的核心职责,包括资源管理(CPU、内存、I/O)、进程/线程管理以及提供应用程序接口(API)。随后,深入剖析内核(Kernel)在整个操作系统层级结构中的中心地位。我们将详细区分宏内核(Monolithic Kernel)、微内核(Microkernel)和混合内核(Hybrid Kernel)的设计哲学、优缺点及适用场景。重点分析现代主流操作系统(如Linux、Windows NT、macOS XNU)的内核架构选择和演进路径,为后续章节的深入研究打下坚实的理论基础。 第2章:底层硬件抽象与启动过程 操作系统与硬件的交互是其功能实现的前提。本章详述硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer, HAL)的设计目的与关键接口。我们将详细跟踪从计算机冷启动(Power-On Self-Test, POST)开始,到引导加载程序(Bootloader,如GRUB或UEFI Shell)接管控制权,再到内核映像被加载并开始执行的完整流程。内容涵盖初始化CPU寄存器、内存管理单元(MMU)的初步设置、中断描述符表(IDT)的建立,以及如何从汇编代码平稳过渡到C语言内核环境。 第3章:中断、异常与系统调用机制 中断(Interrupts)和异常(Exceptions)是实现并发和响应硬件事件的基石。本章详细阐述中断向量表、中断处理程序(ISR)的编写原则,以及如何安全地在中断上下文中执行代码。同步地,系统调用(System Call)作为用户空间访问内核服务的唯一安全途径,其陷阱(Trap)机制、调用约定和参数传递的实现细节将进行深入剖析。我们将通过分析系统调用表的查找与执行流程,揭示用户态和内核态的上下文切换原理。 --- 第二部分:核心资源管理 第4章:进程与线程管理:并发的基石 理解进程(Process)和线程(Thread)的区别与联系是操作系统内核设计的核心挑战。本章深入探讨进程控制块(PCB)的数据结构设计,包括上下文(Context)的保存与恢复机制。线程作为轻量级执行单元,其在内核中的表示、线程状态(就绪、运行、阻塞)的转换模型,以及用户级线程与内核级线程的对应关系(M:N模型)将是重点内容。 第5章:进程调度算法与实现 调度器是决定系统性能和公平性的关键组件。本章从理论出发,介绍先来先服务(FCFS)、最短作业优先(SJF)、时间片轮转(Round Robin)等经典调度算法。随后,重点研究现代内核中使用的复杂调度策略,如优先级继承(Priority Inheritance)、实时调度(Real-Time Scheduling,如Rate Monotonic Scheduling, RMS)以及多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue, MLFQ)的实现细节和参数调优。我们将分析如何构建一个高效的上下文切换代码路径。 第6章:内存管理:虚拟化与保护 本部分是内核设计中最复杂、最关键的部分之一。我们将详细介绍虚拟内存(Virtual Memory)的概念,以及页表(Page Table)在多级页表结构下的具体实现,涵盖地址转换的硬件支持。深入探讨内存分配策略:内核堆内存管理(如Slab/SLUB分配器)和用户空间内存的按需调页(Demand Paging)机制。此外,内存保护、地址空间隔离、以及内存映射(mmap)系统调用在内核中的处理流程也将被完整解析。 --- 第三部分:同步、通信与数据一致性 第7章:并发控制与同步原语 多任务环境下的数据一致性是系统稳定性的保证。本章详细讨论并发访问共享资源带来的竞态条件(Race Conditions)问题。重点介绍内核提供的同步工具:互斥锁(Mutex)、自旋锁(Spinlock)的内部机制及其适用场景的权衡。更进一步,深入讲解信号量(Semaphores)、事件标志(Event Flags)和条件变量(Condition Variables)的实现与使用范例,确保读者能够正确地在内核驱动和核心代码中使用这些工具。 第8章:进程间通信(IPC)机制 进程间通信是操作系统提供服务协同的基础。本章系统地梳理各种IPC机制的内核实现:管道(Pipes,包括匿名管道和命名管道)、消息队列(Message Queues)、共享内存(Shared Memory)以及信号(Signals)。对于基于消息传递的IPC,如Unix域套接字(Unix Domain Sockets)或更底层的端口(Ports,微内核常见),我们将分析其数据拷贝、缓冲管理和同步开销。 第9章:虚拟文件系统(VFS)与I/O子系统 文件系统是操作系统持久化数据的接口。本章首先介绍虚拟文件系统(VFS)的概念,它是如何通过统一的接口抽象(如inode、dentry结构)来支持多种具体文件系统(如Ext4, NTFS)的。随后,我们将探讨块设备的驱动模型、缓冲缓存(Buffer Cache)和页缓存(Page Cache)的协同工作机制,以优化磁盘I/O性能。同步I/O和异步I/O(AIO)的内核实现差异也将被深入讨论。 --- 第四部分:系统健壮性与高级主题 第10章:设备驱动程序模型与I/O处理 设备驱动程序是内核与特定硬件交互的桥梁。本章阐述现代操作系统中驱动程序的加载、初始化和退出流程。重点分析中断驱动I/O(Interrupt-Driven I/O)和直接内存访问(DMA)的工作原理,讲解如何安全地在驱动程序中处理并发访问和硬件错误。我们将探究总线架构(如PCIe)的枚举过程以及驱动与内核子系统(如USB, Network Stack)的接口规范。 第11章:内核安全与隔离技术 随着系统复杂度的增加,内核的安全性变得至关重要。本章聚焦于防御性编程实践,如栈保护(Stack Smashing Protection)、数据执行保护(DEP/NX位)。我们将深入探讨地址空间布局随机化(ASLR)的内核实现机制,以及权限分离、安全模块(如SELinux或AppArmor)在内核层面如何实现强制访问控制(MAC)。 第12章:内核调试、性能分析与可扩展性 有效的调试工具是内核开发不可或缺的。本章介绍基于JTAG或串口的底层调试技术,以及内核动态调试工具(如KDB, KGDB)的使用。此外,性能分析技术(如Perf工具链)将帮助开发者定位性能瓶颈。最后,本书将探讨内核的可扩展性设计,包括模块化加载(Loadable Kernel Modules, LKM)的生命周期管理,以及如何设计可热插拔的系统组件。 --- 总结 本书通过扎实的理论基础和贴近实际的工程实现细节,构建了一套完整的现代操作系统内核知识体系。它不仅是一本学习内核原理的教材,更是一部指导读者进行系统级软件开发的实用手册。通过对这些核心机制的精细化理解,读者将能够更好地进行系统优化、安全加固以及开发高性能的底层软件。

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读后感

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用户评价

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这本书的价值远超出了我对一本“原理”类书籍的预期。我发现它在内容组织上非常注重知识的递进和知识点的交叉验证。例如,在讲解中断处理流程时,作者会回头引用之前学过的CPU状态寄存器(FLAGS)的内容,并结合堆栈操作进行深入解析,这使得知识点之间形成了一个有机的网络,而不是孤立的碎片。我个人认为,对于需要为嵌入式系统开发打下坚实基础的人来说,这本书是无价之宝。它没有过度美化技术,而是直面了早期微机系统在资源受限下的各种巧妙设计和权衡。比如,书中对浮点运算的软件模拟部分的讨论,就让我深切体会到硬件加速的意义。文字风格上,它保持了一种严谨又不失温度的学术气息,很少出现令人费解的术语黑洞,即便是首次接触汇编的读者,也能在上下文的引导下逐步理解复杂的概念。我甚至将它作为一本工具书,时不时翻阅其中关于特定指令格式和寻址方式的章节,效率极高。

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坦白说,我拿到这本书时,内心是充满期待又有点忐忑的,毕竟“原理”二字往往意味着枯燥和晦涩。然而,这本书成功地打破了我的刻板印象。它在深入讲解微处理器架构时,巧妙地融入了大量的现代计算机设计思想的萌芽,让人能看到历史的传承。比如,书中对存储器层次结构的阐述,虽然基于较早期的微机系统,但其设计思想(缓存、主存、辅存)的逻辑是完全可以迁移到现代CPU设计中的。我尤其欣赏作者在讲解总线结构时,那种系统性的思维导图构建能力。它不是简单地罗列总线种类,而是从数据传输的效率和控制逻辑的角度,剖析了不同总线仲裁机制的优劣。书中的图示清晰明了,那些复杂的时序图和信号流程图,被分解成了几个易于理解的小模块,大大降低了学习曲线的陡峭程度。对于已经有一些C语言基础的读者来说,这本书提供了一个绝佳的视角,让你能看到你写的代码是如何被编译、链接,最终变成机器能理解的指令序列的。这种“自顶向下”与“自底向上”知识的完美结合,使得整本书的知识体系非常稳固和完整。

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这本书给我的感觉,就像是拿到了一本资深工程师的“修炼秘籍”,它不仅仅是教科书,更像是一份实战指南。最让我印象深刻的是它对I/O接口设计与控制的讲解部分。作者没有止步于理论介绍并行I/O和串行I/O,而是详细分析了像8255A这种经典可编程接口芯片的工作模式和寄存器配置。书中提供的程序示例,都是可以直接在实验平台上验证的“活代码”,这对于培养动手能力至关重要。很多其他教材可能只停留在理论描述,但《微机原理及应用》真正做到了“知行合一”。通过书中对DMA(直接存储器访问)的详细论述,我明白了为什么现代计算机可以实现高效的数据传输而无需CPU时刻干预,这极大地提升了我对系统性能瓶颈的理解。每当我在阅读那些关于总线周期的时序图时,我总能想象出电流在芯片内部高速流动的场景,这种具象化的学习体验,是单纯记忆概念无法比拟的。这本书真正培养的是一种“系统工程师”的思维模式。

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这部《微机原理及应用》简直是我的“救星”!我之前对计算机底层工作原理一窍不通,每次遇到什么硬件层面的问题都挠头。这本书从最基础的二进制、补码开始讲起,条理清晰得就像是手把手教你搭积木。特别是它对8086/8088CPU结构的讲解,配合着详细的汇编指令集分析,让我第一次真正理解了程序是如何被翻译成机器语言,又如何在CPU内部被执行的。作者的讲解方式非常贴近实际应用,不是那种干巴巴的理论堆砌。举个例子,书中对中断机制的描述,用了一个非常生动的比喻,让我瞬间明白了外部设备是如何请求CPU服务的。而且,书中提供的实验指导也非常到位,我跟着书里的步骤一步步调试,成功地在仿真环境中跑出了第一个简单的汇编程序,那种成就感是无与伦比的。对于想深入了解计算机“心脏”是如何跳动的初学者来说,这本书的入门友好度极高,但内容深度又足以支撑后续的学习和研究。读完前几章,我对计算机硬件和软件之间的桥梁——汇编语言,有了一种全新的认识,不再觉得它高深莫测。

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这本书的结构设计实在是太巧妙了,它成功地平衡了对硬件底层机制的精确描述与对上层应用逻辑的支撑。我特别赞赏作者处理复杂逻辑时的“庖丁解牛”式方法。拿保护模式的段式内存管理来说,这通常是初学者望而却步的部分,但书中通过图例和清晰的流程图,将段寄存器、选择器、描述符、基址、限长这些核心概念一一拆解,并展示它们如何协同工作以实现内存隔离和保护。这种层层剥开复杂性的叙述手法,极大地增强了读者的自信心。此外,书中对不同指令集的性能特点和适用场景的对比分析,也充满了实战智慧,这让学习不再是单纯的知识积累,而更像是在学习如何根据需求做出最优的技术选择。这本书提供的不只是“是什么”,更是“为什么是这样”和“该如何利用”。它让我明白,微机原理并非历史遗物,而是理解现代所有计算系统的基石,每一次对基础概念的扎实掌握,都能为未来更高层次的学习铺平道路。

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