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第1章 计算机漫谈1

1.1日益缤彩纷呈的Raspberry1

1.2片上系统4

1.3一台令人激动的信用卡般大小的计算机5

1.4 Raspberry Pi的功能6

1.5 Raspberry Pi板7

1.5.1 GPIO引脚7

1.5.2状态LED9

1.5.3 USB插口10

1.5.4以太网连接10

1.5.5音频输出11

1.5.6复合视频12

1.5.7 CSI摄像头模块连接器13

1.5.8 HDMI13

1.5.9 micro USB电源14

1.5.10存储卡14

1.5.11 DSI显示连接15

1.5.12装配孔15

1.5.13芯片16

1.6未来16

第2章 计算概述19

2.1计算机与烹饪20

2.1.1佐料与数据20

2.1.2基本操作21

2.2按计划执行的盒子22

2.2.1执行和知晓22

2.2.2程序就是数据23

2.2.3存储器24

2.2.4寄存器25

2.2.5系统总线26

2.2.6指令集26

2.3电平、数字及其表示27

2.3.1二进制：以1和0表示27

2.3.2手指的局限性29

2.3.3数量、编号和029

2.3.4用于二进制速记的十六进制30

2.3.5执行二进制和十六进制运算31

2.4操作系统：幕后老板33

2.4.1操作系统的功能33

2.4.2向内核致敬34

2.4.3多核34

第3章 电子存储器35

3.1存储器先于计算机而存在35

3.2旋转磁存储器（Rotating Magnetic Memory）36

3.3磁芯存储器37

3.3.1磁芯存储器的工作过程38

3.3.2存储器访问时间39

3.4静态随机访问存储器（SRAM）40

3.5地址线和数据线41

3.6由存储器芯片构建存储器系统42

3.7动态随机访问存储器（DRAM）45

3.7.1 DRAM的工作原理45

3.7.2同步DRAM和异步DRAM47

3.7.3 SDRAM列、行、Bank、Rank和DIMM49

3.7.4 DDR、 DDR2、 DDR3和DDR4 SDRAM50

3.7.5纠错码存储器53

3.8 Raspberry Pi的存储器系统54

3.8.1节能性54

3.8.2球栅阵列封装55

3.9缓存55

3.9.1访问的局部性56

3.9.2缓存层级56

3.9.3缓存行和缓存映射57

3.9.4直接映射59

3.9.5相联映射61

3.9.6组相联高速缓存62

3.9.7回写缓存到存储器63

3.10虚拟存储器64

3.10.1虚拟存储器概览64

3.10.2虚拟存储器到物理存储器的映射65

3.10.3深入了解存储器管理单元66

3.10.4多级页表和TLB69

3.10.5 Raspberrry Pi的交换问题70

3.10.6 Raspberry Pi虚拟存储器70

第4章 ARM处理器与片上系统73

4.1急速缩小的CPU73

4.1.1微处理器74

4.1.2晶体管预算75

4.2数字逻辑基础75

4.2.1逻辑门75

4.2.2触发器和时序逻辑76

4.3 CPU内部78

4.3.1分支与标志79

4.3.2系统栈80

4.3.3系统时钟和执行时间82

4.3.4流水线技术83

4.3.5流水线技术详解84

4.3.6深入流水线以及流水线阻塞86

4.3.7 ARM 11中的流水线88

4.3.8超标量执行89

4.3.9基于SIMD的更多并行机制90

4.3.10字节序92

4.4 CPU再认识：CISC与RISC93

4.4.1 RISC的历史95

4.4.2扩展的寄存器文件95

4.4.3加载/存储架构96

4.4.4正交的机器指令96

4.4.5独立的指令和数据高速缓存97

4.5源于艾康的ARM97

4.5.1微架构、内核及家族98

4.5.2出售设计许可而非成品芯片98

4.6 ARM 1199

4.6.1 ARM指令集99

4.6.2处理器模式102

4.6.3模式和寄存器103

4.6.4快速中断107

4.6.5软件中断108

4.6.6中断优先级108

4.6.7条件指令执行109

4.7协处理器111

4.7.1 ARM协处理器接口112

4.7.2系统控制协处理器113

4.7.3向量浮点协处理器113

4.7.4仿真协处理器114

4.8 ARM Cortex114

4.8.1多发和乱序执行115

4.8.2 Thumb 2115

4.8.3 Thumb EE115

4.8.4 big.LITTLE116

4.8.5 NEON SIMD协处理器116

4.8.6 ARMv 8和64位计算117

4.9片上系统118

4.9.1博通BCM2835 SoC118

4.9.2第二代和第三代博通SoC设备119

4.9.3 VLSI芯片原理119

4.9.4流程、制程工艺和掩膜120

4.9.5 IP：单元、宏单元、内核120

4.9.6硬IP和软IP121

4.9.7平面规划、布局和布线121

4.9.8片上通信的标准：AMBA122

第5章 程序设计125

5.1程序设计概述125

5.1.1软件开发过程126

5.1.2瀑布、螺旋与敏捷128

5.1.3二进制程序设计130

5.1.4汇编语言和助记符131

5.1.5高级语言132

5.1.6花样泛滥的后BASIC时代134

5.1.7程序设计术语135

5.2本地代码编译器的工作原理137

5.2.1预处理138

5.2.2词法分析138

5.2.3语义分析139

5.2.4生成中间代码139

5.2.5优化139

5.2.6生成目标代码139

5.2.7 C编译：一个具体示例140

5.2.8链接目标代码文件到可执行文件145

5.3纯文本解释程序146

5.4字节码解释语言148

5.4.1 p-code148

5.4.2 Java149

5.4.3即时编译（JIT）150

5.4.4 Java之外的字节码和JIT编译152

5.4.5 Android、 Java和Dalvik152

5.5数据构建块152

5.5.1标识符、关键字、符号和操作符153

5.5.2数值、文本和命名常量153

5.5.3变量、表达式和赋值154

5.5.4类型和类型定义154

5.5.5静态和动态类型156

5.5.6补码和IEEE 754157

5.6代码构建块159

5.6.1控制语句和复合语句159

5.6.2 if/then/else159

5.6.3 switch和case161

5.6.4 repeat循环162

5.6.5 while循环163

5.6.6 for循环164

5.6.7 break和continue语句166

5.6.8函数166

5.6.9局部性和作用域168

5.7面向对象程序设计170

5.7.1封装172

5.7.2继承174

5.7.3多态176

5.7.4 OOP小结178

5.8 GNU编译器工具集概览178

5.8.1作为编译器和生成工具的gcc179

5.8.2使用Linux make181

第6章 非易失性存储器185

6.1打孔卡和磁带186

6.1.1打孔卡186

6.1.2磁带数据存储器186

6.1.3磁存储器的黎明188

6.2磁记录和编码方案189

6.2.1磁通跃迁190

6.2.2垂直记录191

6.3磁盘存储器192

6.3.1柱面、磁轨和扇区193

6.3.2低级格式化194

6.3.3接口和控制器195

6.3.4软盘驱动器197

6.4分区和文件系统198

6.4.1主分区和扩展分区198

6.4.2文件系统和高级格式化199

6.4.3未来：GUID分区表（GPT）200

6.4.4 Raspberry Pi SD卡的分区201

6.5光盘202

6.5.1源自CD的格式203

6.5.2源自DVD的格式204

6.6虚拟硬盘205

6.7 Flash存储器206

6.7.1 ROM、 PROM和EPROM206

6.7.2 Flash与EEPROM207

6.7.3单级与多级存储209

6.7.4 NOR Flash与NAND Flash210

6.7.5损耗平衡及Flash转换层213

6.7.6碎片回收和TRIM214

6.7.7 S D卡215

6.7.8 eMMC216

6.7.9非易失性存储器的未来217

第7章 有线和无线以太网219

7.1网络互连OSI参考模型220

7.1.1应用层222

7.1.2表示层222

7.1.3会话层223

7.1.4传输层223

7.1.5网络层224

7.1.6数据链路层226

7.1.7物理层226

7.2以太网227

7.2.1粗缆以太网和细缆以太网227

7.2.2以太网的基本构想227

7.2.3冲突检测和规避228

7.2.4以太网编码系统229

7.2.5 PAM-5编码232

7.2.6 1 0BASE-T和双绞线233

7.2.7从总线拓扑结构到星型拓扑结构234

7.2.8交换以太网235

7.3路由器和互联网237

7.3.1名称与地址237

7.3.2 IP地址和TCP端口238

7.3.3本地IP地址和DHCP240

7.3.4网络地址转换242

7.4 Wi-Fi243

7.4.1标准中的标准244

7.4.2面对现实世界245

7.4.3正在使用的Wi-Fi设备248

7.4.4基础设施网络与Ad Hoc网络249

7.4.5 Wi-F1分布式介质访问250

7.4.6载波监听和隐藏结点问题251

7.4.7分片253

7.4.8调幅、调相和QAM253

7.4.9扩频技术256

7.4.10 Wi-Fi调制和编码细节256

7.4.11 Wi-Fi连接的实现原理259

7.4.12 Wi-Fi安全性260

7.4.13 Raspberry Pi上的Wi-Fi261

7.4.14更多的网络263

第8章 操作系统265

8.1操作系统简介266

8.1.1操作系统的历史267

8.1.2操作系统基础270

8.2内核：操作系统的核心主导者274

8.2.1操作系统控制276

8.2.2模式276

8.2.3存储器管理277

8.2.4虚拟存储器278

8.2.5多任务处理278

8.2.6磁盘访问和文件系统279

8.2.7设备驱动程序279

8.3操作系统的使能器和助手279

8.3.1唤醒操作系统280

8.3.2固件283

8.4 Raspberry Pi上的操作系统283

8.4.1 NOOBS284

8.4.2第三方操作系统285

8.4.3其他可用的操作系统285

第9章 视频编解码器和视频压缩287

9.1第一个视频编解码器288

9.1.1利用眼睛288

9.1.2利用数据290

9.1.3理解频率变换293

9.1.4使用无损编码技术297

9.2时移世易298

9.2.1 MPEG的最新标准299

9.2.2 H.265302

9.3运动搜索302

9.3.1视频质量304

9.3.2处理能力305

第10章 3D图形307

10.1 3D图形简史307

10.1.1图形用户界面（Graphical User Interface， GUI）308

10.1.2视频游戏中的3D图形310

10.1.3个人计算和显卡311

10.1.4两个竞争标准312

10.2 OpenGL图形管线314

10.2.1几何规范和属性315

10.2.2几何变换317

10.2.3光照和材质320

10.2.4图元组装和光栅化322

10.2.5像素处理（片段着色）324

10.2.6纹理326

10.3现代图形硬件328

10.3.1瓦片渲染329

10.3.2几何拒绝330

10.3.3着色332

10.3.4缓存333

10.3.5 Raspberry Pi GPU334

10.4 Open VG336

10.5通用GPU338

10.5.1异构体系结构338

10.5.2 OpenCL339

第11章 音频341

11.1现在能听到我的声音吗？341

11.1.1 MIDI342

11.1.2声卡342

11.2模拟与数字343

11.3声音和信号处理344

11.3.1编辑344

11.3.2压缩345

11.3.3使用特效录制345

11.3.4编码和解码通信信346

11.4 1位DAC347

11.5 I2S349

11.6 Raspberry Pi声音输入/输出350

11.6.1音频输出插孔350

11.6.2 HDMI350

11.7 Raspberry Pi的声音351

11.7.1 Raspberry Pi板载声音351

11.7.2处理Raspberry Pi的声音351

第12章 输入/输出359

12.1输入/输出简介359

12.2 I/O使能器362

12.2.1通用串行总线363

12.2.2 USB有源集线器365

12.2.3以太网367

12.2.4通用异步收发器368

12.2.5小型计算机系统接口368

12.2.6 PATA369

12.2.7 SATA369

12.2.8 RS-232串口370

12.2.9 HDMI370

12.2.10 12S371

12.2.11 I 2C371

12.2.12 Raspberry Pi显示器、摄像头接口和JTAG372

12.3 Raspberry Pi GPIO373

12.3.1 GPIO概述以及博通SoC373

12.3.2接触GPIO374

12.3.3可编程GPIO380

12.3.4可选模式385

12.3.5 GPIO实验的简单方法385