目錄 第1章 計(jì)算機(jī)漫談 1 1.1 日益繽彩紛呈的Raspberry 1 1.2 片上系統(tǒng) 4 1.3 一臺(tái)令人激動(dòng)的信用卡般大小的計(jì)算機(jī) 5 1.4 Raspberry Pi的功能 6 1.5 Raspberry Pi板 7 1.5.1 GPIO引腳 7 1.5.2 狀態(tài)LED 9 1.5.3 USB插口 10 1.5.4 以太網(wǎng)連接 10 1.5.5 音頻輸出 11 1.5.6 復(fù)合視頻 12 1.5.7 CSI攝像頭模塊連接器 13 1.5.8 HDMI 13 1.5.9 micro USB電源 14 1.5.10 存儲(chǔ)卡 14 1.5.11 DSI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(jì)算概述 19 2.1 計(jì)算機(jī)與烹飪 20 2.1.1 佐料與數(shù)據(jù) 20 2.1.2 基本操作 21 2.2 按計(jì)劃執(zhí)行的盒子 22 2.2.1 執(zhí)行和知曉 22 2.2.2 程序就是數(shù)據(jù) 23 2.2.3 存儲(chǔ)器 24 2.2.4 寄存器 25 2.2.5 系統(tǒng)總線 26 2.2.6 指令集 26 2.3 電平、數(shù)字及其表示 27 2.3.1 二進(jìn)制：以1和0表示 27 2.3.2 手指的局限性 29 2.3.3 數(shù)量、編號(hào)和0 29 2.3.4 用于二進(jìn)制速記的十六進(jìn)制 30 2.3.5 執(zhí)行二進(jìn)制和十六進(jìn)制運(yùn)算 31 2.4 操作系統(tǒng)：幕后老板 33 2.4.1 操作系統(tǒng)的功能 33 2.4.2 向內(nèi)核致敬 34 2.4.3 多核 34 第3章電子存儲(chǔ)器35 3.1 存儲(chǔ)器先于計(jì)算機(jī)而存在 35 3.2 旋轉(zhuǎn)磁存儲(chǔ)器(Rotating Magnetic Memory) 363.3 磁芯存儲(chǔ)器 37 3.3.1 磁芯存儲(chǔ)器的工作過程38 3.3.2 存儲(chǔ)器訪問時(shí)間39 3.4 靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SRAM) 40 3.5 地址線和數(shù)據(jù)線 41 3.6 由存儲(chǔ)器芯片構(gòu)建存儲(chǔ)器系統(tǒng)42 3.7 動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(DRAM) 45 3.7.1 DRAM的工作原理 45 3.7.2 同步DRAM和異步DRAM47 3.7.3 SDRAM列、行、Bank、Rank和DIMM 49 3.7.4 DDR、DDR2、DDR3和DDR4 SDRAM50 3.7.5 糾錯(cuò)碼存儲(chǔ)器53 3.8 Raspberry Pi的存儲(chǔ)器系統(tǒng)54 3.8.1節(jié)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(jí)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(lián)映射61 3.9.6組相聯(lián)高速緩存62 3.9.7回寫緩存到存儲(chǔ)器63 3.10 虛擬存儲(chǔ)器 64 3.10.1虛擬存儲(chǔ)器概覽64 3.10.2虛擬存儲(chǔ)器到物理存儲(chǔ)器的映射65 3.10.3 深入了解存儲(chǔ)器管理單元66 3.10.4 多級(jí)頁表和TLB69 3.10.5 Raspberry Pi的交換問題70 3.10.6 Raspberry Pi虛擬存儲(chǔ)器70 第4章ARM處理器與片上系統(tǒng)73 4.1 急速縮小的CPU 73 4.1.1微處理器74 4.1.2晶體管預(yù)算75 4.2 數(shù)字邏輯基礎(chǔ) 75 4.2.1邏輯門75 4.2.2觸發(fā)器和時(shí)序邏輯76 4.3 CPU內(nèi)部78 4.3.1分支與標(biāo)志79 4.3.2系統(tǒng)棧80 4.3.3系統(tǒng)時(shí)鐘和執(zhí)行時(shí)間82 4.3.4流水線技術(shù)83 4.3.5流水線技術(shù)詳解84 4.3.6深入流水線以及流水線阻塞86 4.3.7 ARM11 中的流水線88 4.3.8 超標(biāo)量執(zhí)行89 4.3.9 基于SIMD的更多并行機(jī)制90 4.3.10 字節(jié)序92 4.4 CPU再認(rèn)識(shí)：CISC與RISC 93 4.4.1 RISC的歷史95 4.4.2 擴(kuò)展的寄存器文件95 4.4.3 加載/存儲(chǔ)架構(gòu) 96 4.4.4 正交的機(jī)器指令96 4.4.5 獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存97 4.5 源于艾康的ARM 97 4.5.1微架構(gòu)、內(nèi)核及家族98 4.5.2 出售設(shè)計(jì)許可而非成品芯片98 4.6 ARM11 99 4.6.1 ARM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(yōu)先級(jí)108 4.6.7 條件指令執(zhí)行109 4.7 協(xié)處理器 111 4.7.1 ARM協(xié)處理器接口112 4.7.2 系統(tǒng)控制協(xié)處理器113 4.7.3 向量浮點(diǎn)協(xié)處理器113 4.7.4 仿真協(xié)處理器114 4.8 ARM Cortex 114 4.8.1 多發(fā)和亂序執(zhí)行115 4.8.2 Thumb 2 115 4.8.3 Thumb EE 115 4.8.4 big.LITTLE 116 4.8.5 NEON SIMD協(xié)處理器 116 4.8.6 ARMv8和64位計(jì)算117 4.9 片上系統(tǒng) 118 4.9.1 博通BCM2835 SoC 118 4.9.2 第二代和第三代博通SoC 設(shè)備119 4.9.3 VLSI芯片原理119 4.9.4 流程、制程工藝和掩膜120 4.9.5 IP：?jiǎn)卧⒑陠卧?nèi)核120 4.9.6 硬IP和軟IP121 4.9.7 平面規(guī)劃、布局和布線121 4.9.8 片上通信的標(biāo)準(zhǔn)：AMBA 122 第5章程序設(shè)計(jì) 125 5.1 程序設(shè)計(jì)概述 125 5.1.1 軟件開發(fā)過程126 5.1.2 瀑布、螺旋與敏捷128 5.1.3 二進(jìn)制程序設(shè)計(jì)130 5.1.4 匯編語言和助記符131 5.1.5 高級(jí)語言132 5.1.6 花樣泛濫的后BASIC 時(shí)代134 5.1.7 程序設(shè)計(jì)術(shù)語135 5.2 本地代碼編譯器的工作原理 137 5.2.1 預(yù)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(yōu)化139 5.2.6 生成目標(biāo)代碼139 5.2.7 C編譯：一個(gè)具體示例140 5.2.8 鏈接目標(biāo)代碼文件到可執(zhí)行文件145 5.3 純文本解釋程序 146 5.4 字節(jié)碼解釋語言 148 5.4.1 p-code 148 5.4.2 Java 149 5.4.3 即時(shí)編譯(JIT) 150 5.4.4 Java之外的字節(jié)碼和JIT 編譯152 5.4.5 Android 、Java和Dalvik 152 5.5 數(shù)據(jù)構(gòu)建塊 152 5.5.1 標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、符號(hào)和操作符153 5.5.2 數(shù)值、文本和命名常量153 5.5.3 變量、表達(dá)式和賦值154 5.5.4 類型和類型定義154 5.5.5 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)類型156 5.5.6 補(bǔ)碼和IEEE 754 157 5.6 代碼構(gòu)建塊 159 5.6.1 控制語句和復(fù)合語句159 5.6.2 if/then/else 159 5.6.3 switch和case 161 5.6.4 repeat循環(huán)162 5.6.5 while循環(huán)163 5.6.6 for循環(huán)164 5.6.7 break和continue語句166 5.6.8 函數(shù)166 5.6.9 局部性和作用域168 5.7 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 170 5.7.1 封裝172 5.7.2 繼承174 5.7.3 多態(tài)176 5.7.4 OOP小結(jié) 178 5.8 GNU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Linux make 181 第6章非易失性存儲(chǔ)器185 6.1 打孔卡和磁帶 186 6.1.1 打孔卡186 6.1.2 磁帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器186 6.1.3 磁存儲(chǔ)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(chǔ)器 192 6.3.1 柱面、磁軌和扇區(qū)193 6.3.2 低級(jí)格式化194 6.3.3 接口和控制器195 6.3.4 軟盤驅(qū)動(dòng)器197 6.4 分區(qū)和文件系統(tǒng) 198 6.4.1 主分區(qū)和擴(kuò)展分區(qū)198 6.4.2 文件系統(tǒng)和高級(jí)格式化199 6.4.3 未來：GUID分區(qū)表 (GPT) 200 6.4.4 Raspberry Pi SD卡的分區(qū)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 6.7 Flash存儲(chǔ)器206 6.7.1 ROM、PROM和 EPROM 206 6.7.2 Flash與EEPROM 207 6.7.3 單級(jí)與多級(jí)存儲(chǔ)209 6.7.4 NOR Flash與NAND Flash 210 6.7.5 損耗平衡及Flash轉(zhuǎn)換層213 6.7.6 碎片回收和TRIM 214 6.7.7 SD卡 215 6.7.8 eMMC216 6.7.9 非易失性存儲(chǔ)器的未來217 第7章有線和無線以太網(wǎng)219 7.1 網(wǎng)絡(luò)互連OSI參考模型220 7.1.1 應(yīng)用層222 7.1.2 表示層222 7.1.3 會(huì)話層223 7.1.4 傳輸層223 7.1.5 網(wǎng)絡(luò)層224 7.1.6 數(shù)據(jù)鏈路層226 7.1.7 物理層226 7.2 以太網(wǎng) 227 7.2.1 粗纜以太網(wǎng)和細(xì)纜以太網(wǎng)227 7.2.2 以太網(wǎng)的基本構(gòu)想227 7.2.3 沖突檢測(cè)和規(guī)避228 7.2.4 以太網(wǎng)編碼系統(tǒng)229 7.2.5 PAM-5 編碼232 7.2.6 10BASE-T和雙絞線233 7.2.7 從總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)234 7.2.8 交換以太網(wǎng)235 7.3 路由器和互聯(lián)網(wǎng) 237 7.3.1 名稱與地址237 7.3.2 IP地址和TCP端口238 7.3.3 本地IP地址和DHCP 240 7.3.4 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換242 7.4 Wi-Fi 243 7.4.1 標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)244 7.4.2 面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界245 7.4.3 正在使用的Wi-Fi 設(shè)備 248 7.4.4 基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)與Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)249 7.4.5 Wi-Fi 分布式介質(zhì)訪問 250 7.4.6 載波監(jiān)聽和隱藏結(jié)點(diǎn)問題251 7.4.7 分片253 7.4.8 調(diào)幅、調(diào)相和QAM 253 7.4.9 擴(kuò)頻技術(shù)256 7.4.10 Wi-Fi 調(diào)制和編碼細(xì)節(jié)256 7.4.11 Wi-Fi 連接的實(shí)現(xiàn)原理259 7.4.12 Wi-Fi 安全性 260 7.4.13 Raspberry Pi上的Wi-Fi 261 7.4.14 更多的網(wǎng)絡(luò)263 第8章 操作系統(tǒng) 265 8.1 操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介 266 8.1.1 操作系統(tǒng)的歷史 267 8.1.2 操作系統(tǒng)基礎(chǔ) 270 8.2 內(nèi)核：操作系統(tǒng)的核心主導(dǎo)者 274 8.2.1 操作系統(tǒng)控制 276 8.2.2 模式 276 8.2.3 存儲(chǔ)器管理 277 8.2.4 虛擬存儲(chǔ)器 278 8.2.5 多任務(wù)處理 278 8.2.6 磁盤訪問和文件系統(tǒng) 279 8.2.7 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 279 8.3 操作系統(tǒng)的使能器和助手 279 8.3.1 喚醒操作系統(tǒng) 280 8.3.2 固件 283 8.4 Raspberry Pi上的操作系統(tǒng) 283 8.4.1 NOOBS 284 8.4.2 第三方操作系統(tǒng) 285 8.4.3 其他可用的操作系統(tǒng) 285 第9章 視頻編解碼器和視頻壓縮 287 9.1 **個(gè)視頻編解碼器 288 9.1.1 利用眼睛 288 9.1.2 利用數(shù)據(jù) 290 9.1.3 理解頻率變換 293 9.1.4 使用無損編碼技術(shù) 297 9.2 時(shí)移世易 298 9.2.1 MPEG的*新標(biāo)準(zhǔn) 299 9.2.2 H.265 302 9.3 運(yùn)動(dòng)搜索 302 9.3.1 視頻質(zhì)量 304 9.3.2 處理能力 305 第10章 3D圖形307 10.1 3D圖形簡(jiǎn)史307 10.1.1 圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI) 308 10.1.2 視頻游戲中的3D圖形310 10.1.3 個(gè)人計(jì)算和顯卡311 10.1.4 兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)312 10.2 OpenGL圖形管線 314 10.2.1 幾何規(guī)范和屬性315 10.2.2 幾何變換317 10.2.3 光照和材質(zhì)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(xiàn)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 10.3.5 Raspberry Pi GPU 334 10.4 Open VG 336 10.5 通用GPU 338 10.5.1 異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)338 10.5.2 OpenCL 339 第11章音頻 341 11.1 現(xiàn)在能聽到我的聲音嗎？341 11.1.1 MIDI342 11.1.2 聲卡342 11.2 模擬與數(shù)字343 11.3 聲音和信號(hào)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 11.4 1位DAC 347 11.5 I2S 349 11.6 Raspberry Pi聲音輸入/輸出350 11.6.1 音頻輸出插孔350 11.6.2 HDMI350 11.7 Raspberry Pi的聲音351 11.7.1 Raspberry Pi板載聲音351 11.7.2 處理Raspberry Pi的聲音351 第12章 輸入/輸出359 12.1 輸入/輸出簡(jiǎn)介 359 12.2 I/O使能器 362 12.2.1 通用串行總線363 12.2.2 USB有源集線器365 12.2.3 以太網(wǎng)367 12.2.4 通用異步收發(fā)器368 12.2.5 小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口368 12.2.6 PATA 369 12.2.7 SATA 369 12.2.8 RS-232串口 370 12.2.9 HDMI 370 12.2.10 I2S 371 12.2.11 I2C 371 12.2.12 Raspberry Pi顯示器、攝像頭接口和JTAG 372 12.3 Raspberry Pi GPIO 373 12.3.1 GPIO概述以及博通SoC 373 12.3.2 接觸GPIO 374 12.3.3 可編程GPIO 380 12.3.4 可選模式385 12.3.5 GPIO實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單方法 385