使用Raspberry Pi學習計算機體系結構 ( 簡體 字) |
| 作者：[美] Eben Upton，Jeff Duntemann，Ralph Roberts，Tim Mamtora，Ben Everard 著 張龍杰 楊玫 孫濤 于亮 譯 | 類別：1. -> 電腦組織與體系結構 -> 單晶片 -> Raspberry Pi |
| 譯者： |
| 出版社：清華大學出版社 |  3dWoo書號： 48156
詢問書籍請說出此書號！【缺書】
NT售價： 400 元 |
| 出版日：1/1/2018 |
| 頁數：379 |
| 光碟數：0 |
|
站長推薦：  |
| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
| |
加入購物車  │加到我的最愛
(請先登入會員) |
| ISBN：9787302487173 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：前言
通概念——通用可編程計算機——首次出現。
第二次世界大戰爆發后，圖靈繼續在位于布萊切利園(Bletchley Park) 開展的盟軍代碼
破解工作中發揮了核心作用。在這個過程中，圖靈(作為團隊一員——別相信在電影中看
到的)卷入到大量專用硬件的研發工作中，包括機電炸彈機，這臺機器加速了破解德國恩
尼格碼密碼的自動化進程。這些設備都沒有使用圖靈初始實驗想法中的“有限狀態機加無
限紙帶”這種具體架構，但與實際執行相比，卻更適于數學分析。不過，即使是純粹的電
子巨人Colossus——如同炸彈機處理恩尼格碼一樣處理繁復冗雜的洛倫茲流密碼——也沒
有觸及通用程序設計的邊界。盡管如此，對于這一代理論工程師而言，當他們返回到平民
生活以后，使用真空管研發用于代碼破解、雷達和火炮以及實現數字邏輯電路的大規模電
子系統的經歷，使得他們極具革新能力。
在莫里斯·威爾克斯(Maurice Wilkes) 的帶領下，位于劍橋大學數學實驗室的一個工程
師小組著手搭建了電子延遲存儲自動計算機(Electronic Delay Storage Automatic Computer，
EDSAC) 。1949 年投入運行時，時鐘頻率達到500KHz ，通過兩個溫度控制水箱中的32 條
水印延遲線，構成了一個容量為2KB的易失性存儲器。程序和代碼可以通過紙帶讀寫。
美國和英國的很多機構都可以狹隘地宣稱自己首次研發出通用數字計算機，僅僅是標榜
“首次”。對于EDSAC，公開的聲明指出，它是第一臺將應用擴展到研發團隊之外的計
算機。其他學科的學者可以申請時間在這臺機器上運行他們自己的程序，并由此引入了以
計算為服務的概念。EDSAC之后研發了EDSAC II，然后是泰坦(Titan) 。直到20世紀60年
代，劍橋大學才停止從底層出發搭建自己的計算機，并開始從商業貿易商那里購買。這項
實際舉措直接影響到目前計算機部門的名稱：劍橋大學沒有計算機科學系，大學里有一個
計算機實驗室——威爾克斯早期數學實驗室的延續。
對于計算機工程實踐應用的專注，使得劍橋大學成為孕育新技術的沃土。很多新技術
在計算機實驗室、工程系或者不同的數學和科學系(即使是我們的數學家也懂得如何進行
程序設計)中被提出來，由此吸引了大量跨國公司到此尋找工程技術人才。圍繞劍橋大學
成長起來的公司網(有時被冠以劍橋產業集群、劍橋現象或硅藻等不同的稱謂)代表了美國
硅谷之外的少量真正的技術集群之一。那臺告訴我應當成為一名芯片設計師的BBC微型計
算機就是劍橋生產的，包括其長期的競爭對手——辛克萊頻譜。你的手機(以及Raspberry
Pi)就包含幾個由立足于劍橋的ARM芯片公司設計的處理器。EDSAC問世70年之后，在英
國劍橋依然是高科技的家園。
言歸正傳
在我誤打誤撞所接受的計算機教育中，最大的缺失是對計算機工作過程的系統認識。
在從BASIC 開始深入到匯編語言時，我被匯編層面的抽象“困住”了。我可以控制Amiga
計算機的硬件寄存器在屏幕上移動小精靈，但對于如何搭建一臺自己的計算機則一頭霧
水。在我花費了另一個十年的時間、取得了幾個學位、離開學術界并到博通公司(一家在
劍橋啟動并在此尋求工程技術人才的美國半導體公司)工作之后，我才搞清楚這個問題。
在這里，我的名片上印著“微電子芯片設計師”(實際上是更漂亮的稱謂，“專用集成電
路架構師”)的字樣。在此期間，我擁有良好的條件與大量該領域的嫻熟的從業者一起工
作并向他們學習，包括索菲 威爾遜(Sophie Wilson)
—
原始ARM處理器和BBC微型計算
機(和Steve Furber一起)的設計師，還有博通3D圖形硬件工程團隊的Tim Mamtora，他提供
了本書圖形處理單元(GPU)章節的內容。
很大程度上講，撰寫本書的目的在于闡述“它是如何工作的”這個話題，正如我18歲
時期望的那樣。我們嘗試覆蓋所有現代計算機系統的主要部分，從CPU到易失性隨機訪問
存儲器、穩定存儲器、網絡及接口，以一種中學學生或一年級大學生樂于閱讀的方式呈現
出來。依托對當前技術發展水平的討論，我們嘗試提供一點歷史性知識。絕大多數討論的
話題(盡管不是全部，特別是在技術細節方面)都與1949年維爾克斯的EDSAC工程團隊有關
系。閱讀完本書后，你至少會對計算機的基本工作原理有所了解。我堅信你將發現加強這
方面理解的價值，即使你的目標職業是軟件工程師并且從未打算設計一臺自己的計算機。
如果不了解cache的作用，當工作組的大小超出cache或者分配的緩沖區耗盡了cache的關聯
性時，程序性能的急速下降會令你很驚訝。如果對網絡的工作過程一無所知，就很難為數
據中心構建一個高效網絡。
關于哪些方面本書不會涉及，有必要花點時間闡述一下。對于任何涉及的話題，本
書都不是一本綜合性技術參考書。關于cache設計、CPU流水線、編譯器和網絡堆棧，
可以編寫(有人已經寫過)整卷圖書。相反，對于每個話題，我們嘗試提供一種入門式的
講解，并提供一些深入學習的建議。本書主要專注于通用計算機(本質上講，PC機)的架
構。對于只對特殊目的和應用領域感興趣的數字信號處理(DSP)和現場可編程陣列(Field
Programmable Gate Array，FPGA)等話題，只進行了有限的覆蓋。最后，涉及一點定量決
策過程的知識，這是良好的計算機架構的核心：如何在訪問時間和cache大小之間折中，
或者決定是否允許某個子系統一致訪問一個屬于其他部件的cache？我們無法教你像架構
師一樣思考。對于高級讀者，Hennessy和Patterson的Computer Architecture: A Quantitative
Approach是這方面不可或缺的參考資料。
曲線上的拐點
首先提出免責聲明，此處我愿意分享多年來總結出的幾點有益的指導原則。
在計算機架構中，像很多事情一樣，有一個收益遞減規律。當然，不論是以原始的
CPU性能、標準化為能量消耗的CPU性能、存儲密度、晶體管尺寸還是媒介上的網絡帶寬
的形式，在任何時候，硬件對所完成的東西有一個限制。但情況往往是，在達到這些理論
限制前，工程應用上就會遇到收益遞減問題：每一項新增的改進都來之不易，都會引起成
本和時間開銷的提升。如果將研發成本、系統復雜性 (容易受到漏洞攻擊) 或是為提升系
統性能而花費的資金繪成圖，在某個位置曲線就會急劇彎曲下來。“拐點”的左側，性能
以一種可預測(甚至是直線！)的方式響應花費支出，在右側，隨著努力的增加性能只是緩
慢提升，并逐漸逼近由基礎技術限制帶來的“墻壁”。
有時候找不到性能的替代品。例如阿波羅登月計劃，就是工程學上一個極具吸引力的
實例。阿波羅登月計劃在“拐點”右側走出了相當遠的距離，從根本上誤導了旁觀者對于
宇航技術成熟度的認識。直到今天——火箭技術、航空電子和材料科學持續發展了50年以
后——拐點已經移動了足夠遠的距離，才允許以合理的成本訪問太空，甚至從月球返回。
雖然如此，那些以謙卑的態度準確定位拐點位置的團隊，為市場帶來簡單、穩健而又流行
的工程系統，然后迅速更新換代，這些團隊將最終戰勝登月工程。
在對待架構方面，保守和更迭一直銘記于心。迄今為止，我們生產的三代Raspberry
Pi芯片都嚴格地采用相同的系統基礎架構、存儲器控制器和多媒體，所做的改變只局限于
ARM內核的復雜性、少量致命缺陷的修復和時鐘頻率的提升。這里會出現一些博弈，因
為工程師(包括我自己)是富有激情的，他們總希望打破界限。優秀架構師的任務在于精確
把握顛覆性改變引發的風險代價，并與預期的利潤進行權衡。
邁向基金會
2008 年，我們創建了Raspberry Pi 基金會，初始目標很簡單：應對申請劍橋大學計算
機科學專業的學生數量逐步下降的問題。現在，我們看到了令人鼓舞的復蘇信號，不論是
劍橋還是其他學校，申請數量都超過了20世紀90年代末網絡熱潮時期的峰值。
我們目睹的一個最顯著的變化可能是，新一代年輕人比我們在20世紀80年代時對硬
件的興趣還要高。編寫一個匯編語言源程序，在屏幕上移動小精靈不再像以前那么有吸引
力，但是在地板上移動機器人卻更令人興奮。我們看到12歲的孩子構建我在20多歲時才引
以為豪的控制和傳感器項目。我的愿望是，當這些年輕人坐在我孩童時期BBC Micro的新
生代面前規劃職業生涯時，有一些人可以明白他們將成為優秀的微電子芯片設計師，本書
將幫助他們完成這趟旅行。
—Eben Upton，劍橋，2016.05
|
內容簡介：《使用Raspberry Pi學習計算機體系結構》能幫助讀者
■ 了解Raspberry Pi每個部分的設計目的
■ 理解不同組件之間的交互方式
■ 深入了解系統設計的完整過程
■ 學習程序設計原理
■ 觀察硬件和操作系統之間的相互作用
■ 深入研究ARM芯片背后的機制
■ 比較和對照不同的芯片，從ARM到Intel |
目錄：第1章計算機漫談1
1.1日益繽彩紛呈的Raspberry1
1.2片上系統4
1.3一臺令人激動的信用卡般大小的計算機5
1.4RaspberryPi的功能6
1.5RaspberryPi板7
1.5.1GPIO引腳7
1.5.2狀態LED9
1.5.3USB插口10
1.5.4以太網連接10
1.5.5音頻輸出11
1.5.6復合視頻12
1.5.7CSI攝像頭模塊連接器13
1.5.8HDMI13
1.5.9microUSB電源14
1.5.10存儲卡14
1.5.11DSI顯示連接15
1.5.12裝配孔15
1.5.13芯片16
1.6未來16
第2章計算概述19
2.1計算機與烹飪20
2.1.1佐料與數據20
2.1.2基本操作21
2.2按計劃執行的盒子22
2.2.1執行和知曉22
2.2.2程序就是數據23
2.2.3存儲器24
2.2.4寄存器25
2.2.5系統總線26
2.2.6指令集26
2.3電平、數字及其表示27
2.3.1二進制：以1和0表示27
2.3.2手指的局限性29
2.3.3數量、編號和029
2.3.4用于二進制速記的十六進制30
2.3.5執行二進制和十六進制運算31
2.4操作系統：幕后老板33
2.4.1操作系統的功能33
2.4.2向內核致敬34
2.4.3多核34
第3章電子存儲器35
3.1存儲器先于計算機而存在35
3.2旋轉磁存儲器(RotatingMagneticMemory)36
3.3磁芯存儲器37
3.3.1磁芯存儲器的工作過程38
3.3.2存儲器訪問時間39
3.4靜態隨機訪問存儲器(SRAM)40
3.5地址線和數據線41
3.6由存儲器芯片構建存儲器系統42
3.7動態隨機訪問存儲器(DRAM)45
3.7.1DRAM的工作原理45
3.7.2同步DRAM和異步DRAM47
3.7.3SDRAM列、行、Bank、Rank和DIMM49
3.7.4DDR、DDR2、DDR3和DDR4SDRAM50
3.7.5糾錯碼存儲器53
3.8RaspberryPi的存儲器系統54
3.8.1節能性54
3.8.2球柵陣列封裝55
3.9緩存55
3.9.1訪問的局部性56
3.9.2緩存層級56
3.9.3緩存行和緩存映射57
3.9.4直接映射59
3.9.5相聯映射61
3.9.6組相聯高速緩存62
3.9.7回寫緩存到存儲器63
3.10虛擬存儲器64
3.10.1虛擬存儲器概覽64
3.10.2虛擬存儲器到物理存儲器的映射65
3.10.3深入了解存儲器管理單元66
3.10.4多級頁表和TLB69
3.10.5RaspberryPi的交換問題70
3.10.6RaspberryPi虛擬存儲器70
第4章ARM處理器與片上系統73
4.1急速縮小的CPU73
4.1.1微處理器74
4.1.2晶體管預算75
4.2數字邏輯基礎75
4.2.1邏輯門75
4.2.2觸發器和時序邏輯76
4.3CPU內部78
4.3.1分支與標志79
4.3.2系統棧80
4.3.3系統時鐘和執行時間82
4.3.4流水線技術83
4.3.5流水線技術詳解84
4.3.6深入流水線以及流水線阻塞86
4.3.7ARM11中的流水線88
4.3.8超標量執行89
4.3.9基于SIMD的更多并行機制90
4.3.10字節序92
4.4CPU再認識：CISC與RISC93
4.4.1RISC的歷史95
4.4.2擴展的寄存器文件95
4.4.3加載/存儲架構96
4.4.4正交的機器指令96
4.4.5獨立的指令和數據高速緩存97
4.5源于艾康的ARM97
4.5.1微架構、內核及家族98
4.5.2出售設計許可而非成品芯片98
4.6ARM1199
4.6.1ARM指令集99
4.6.2處理器模式102
4.6.3模式和寄存器103
4.6.4快速中斷107
4.6.5軟件中斷108
4.6.6中斷優先級108
4.6.7條件指令執行109
4.7協處理器111
4.7.1ARM協處理器接口112
4.7.2系統控制協處理器113
4.7.3向量浮點協處理器113
4.7.4仿真協處理器114
4.8ARMCortex114
4.8.1多發和亂序執行115
4.8.2Thumb2115
4.8.3ThumbEE115
4.8.4big.LITTLE116
4.8.5NEONSIMD協處理器116
4.8.6ARMv8和64位計算117
4.9片上系統118
4.9.1博通BCM2835SoC118
4.9.2第二代和第三代博通SoC設備119
4.9.3VLSI芯片原理119
4.9.4流程、制程工藝和掩膜120
4.9.5IP：單元、宏單元、內核120
4.9.6硬IP和軟IP121
4.9.7平面規劃、布局和布線121
4.9.8片上通信的標準：AMBA122
第5章程序設計125
5.1程序設計概述125
5.1.1軟件開發過程126
5.1.2瀑布、螺旋與敏捷128
5.1.3二進制程序設計130
5.1.4匯編語言和助記符131
5.1.5高級語言132
5.1.6花樣泛濫的后BASIC時代134
5.1.7程序設計術語135
5.2本地代碼編譯器的工作原理137
5.2.1預處理138
5.2.2詞法分析138
5.2.3語義分析139
5.2.4生成中間代碼139
5.2.5優化139
5.2.6生成目標代碼139
5.2.7C編譯：一個具體示例140
5.2.8鏈接目標代碼文件到可執行文件145
5.3純文本解釋程序146
5.4字節碼解釋語言148
5.4.1p-code148
5.4.2Java149
5.4.3即時編譯(JIT)150
5.4.4Java之外的字節碼和JIT編譯152
5.4.5Android、Java和Dalvik152
5.5數據構建塊152
5.5.1標識符、關鍵字、符號和操作符153
5.5.2數值、文本和命名常量153
5.5.3變量、表達式和賦值154
5.5.4類型和類型定義154
5.5.5靜態和動態類型156
5.5.6補碼和IEEE754157
5.6代碼構建塊159
5.6.1控制語句和復合語句159
5.6.2if/then/else159
5.6.3switch和case161
5.6.4repeat循環162
5.6.5while循環163
5.6.6for循環164
5.6.7break和continue語句166
5.6.8函數166
5.6.9局部性和作用域168
5.7面向對象程序設計170
5.7.1封裝172
5.7.2繼承174
5.7.3多態176
5.7.4OOP小結178
5.8GNU編譯器工具集概覽178
5.8.1作為編譯器和生成工具的gcc179
5.8.2使用Linuxmake181
第6章非易失性存儲器185
6.1打孔卡和磁帶186
6.1.1打孔卡186
6.1.2磁帶數據存儲器186
6.1.3磁存儲器的黎明188
6.2磁記錄和編碼方案189
6.2.1磁通躍遷190
6.2.2垂直記錄191
6.3磁盤存儲器192
6.3.1柱面、磁軌和扇區193
6.3.2低級格式化194
6.3.3接口和控制器195
6.3.4軟盤驅動器197
6.4分區和文件系統198
6.4.1主分區和擴展分區198
6.4.2文件系統和高級格式化199
6.4.3未來：GUID分區表(GPT)200
6.4.4RaspberryPiSD卡的分區201
6.5光盤202
6.5.1源自CD的格式203
6.5.2源自DVD的格式204
6.6虛擬硬盤205
6.7Flash存儲器206
6.7.1ROM、PROM和EPROM206
6.7.2Flash與EEPROM207
6.7.3單級與多級存儲209
6.7.4NORFlash與NANDFlash210
6.7.5損耗平衡及Flash轉換層213
6.7.6碎片回收和TRIM214
6.7.7SD卡215
6.7.8eMMC216
6.7.9非易失性存儲器的未來217
第7章有線和無線以太網219
7.1網絡互連OSI參考模型220
7.1.1應用層222
7.1.2表示層222
7.1.3會話層223
7.1.4傳輸層223
7.1.5網絡層224
7.1.6數據鏈路層226
7.1.7物理層226
7.2以太網227
7.2.1粗纜以太網和細纜以太網227
7.2.2以太網的基本構想227
7.2.3沖突檢測和規避228
7.2.4以太網編碼系統229
7.2.5PAM-5編碼232
7.2.610BASE-T和雙絞線233
7.2.7從總線拓撲結構到星型拓撲結構234
7.2.8交換以太網235
7.3路由器和互聯網237
7.3.1名稱與地址237
7.3.2IP地址和TCP端口238
7.3.3本地IP地址和DHCP240
7.3.4網絡地址轉換242
7.4Wi-Fi243
7.4.1標準中的標準244
7.4.2面對現實世界245
7.4.3正在使用的Wi-Fi設備248
7.4.4基礎設施網絡與AdHoc網絡249
7.4.5Wi-Fi分布式介質訪問250
7.4.6載波監聽和隱藏結點問題251
7.4.7分片253
7.4.8調幅、調相和QAM253
7.4.9擴頻技術256
7.4.10Wi-Fi調制和編碼細節256
7.4.11Wi-Fi連接的實現原理259
7.4.12Wi-Fi安全性260
7.4.13RaspberryPi上的Wi-Fi261
7.4.14更多的網絡263
第8章
操作系統265
8.1操作系統簡介266
8.1.1操作系統的歷史267
8.1.2操作系統基礎270
8.2內核：操作系統的核心主導者274
8.2.1操作系統控制276
8.2.2模式276
8.2.3存儲器管理277
8.2.4虛擬存儲器278
8.2.5多任務處理278
8.2.6磁盤訪問和文件系統279
8.2.7設備驅動程序279
8.3操作系統的使能器和助手279
8.3.1喚醒操作系統280
8.3.2固件283
8.4RaspberryPi上的操作系統283
8.4.1NOOBS284
8.4.2第三方操作系統285
8.4.3其他可用的操作系統285
第9章視頻編解碼器和視頻壓縮287
9.1第一個視頻編解碼器288
9.1.1利用眼睛288
9.1.2利用數據290
9.1.3理解頻率變換293
9.1.4使用無損編碼技術297
9.2時移世易298
9.2.1MPEG的最新標準299
9.2.2H.265302
9.3運動搜索302
9.3.1視頻質量304
9.3.2處理能力305
第10章3D圖形307
10.13D圖形簡史307
10.1.1圖形用戶界面(GraphicalUserInterface，GUI)308
10.1.2視頻游戲中的3D圖形310
10.1.3個人計算和顯卡311
10.1.4兩個競爭標準312
10.2OpenGL圖形管線314
10.2.1幾何規范和屬性315
10.2.2幾何變換317
10.2.3光照和材質320
10.2.4圖元組裝和光柵化322
10.2.5像素處理(片段著色)324
10.2.6紋理326
10.3現代圖形硬件328
10.3.1瓦片渲染329
10.3.2幾何拒絕330
10.3.3著色332
10.3.4緩存333
10.3.5RaspberryPiGPU334
10.4OpenVG336
10.5通用GPU338
10.5.1異構體系結構338
10.5.2OpenCL339
第11章音頻341
11.1現在能聽到我的聲音嗎？341
11.1.1MIDI342
11.1.2聲卡342
11.2模擬與數字343
11.3聲音和信號處理344
11.3.1編輯344
11.3.2壓縮345
11.3.3使用特效錄制345
11.3.4編碼和解碼通信信息346
11.41位DAC347
11.5I2S349
11.6RaspberryPi聲音輸入/輸出350
11.6.1音頻輸出插孔350
11.6.2HDMI350
11.7RaspberryPi的聲音351
11.7.1RaspberryPi板載聲音351
11.7.2處理RaspberryPi的聲音351
第12章輸入/輸出359
12.1輸入/輸出簡介359
12.2I/O使能器362
12.2.1通用串行總線363
12.2.2USB有源集線器365
12.2.3以太網367
12.2.4通用異步收發器368
12.2.5小型計算機系統接口368
12.2.6PATA369
12.2.7SATA369
12.2.8RS-232串口370
12.2.9HDMI370
12.2.10I2S371
12.2.11I2C371
12.2.12RaspberryPi顯示器、攝像頭接口和JTAG372
12.3RaspberryPiGPIO373
12.3.1GPIO概述以及博通SoC373
12.3.2接觸GPIO374
12.3.3可編程GPIO380
12.3.4可選模式385
12.3.5GPIO實驗的簡單方法385
|
| 序： |
