دوره تسلط بر برنامه‌نویسی سخت‌افزار-محور: از مبانی تا بهینه‌سازی عملکرد همراه با فلش‌کارت آموزشی — ارائه روی فلش مموری

📚 کتاب آموزشی جامع

📚 اطلاعات کتاب

عنوان کتاب: کتاب تسلط بر برنامه‌نویسی سخت‌افزار-محور: از مبانی تا بهینه‌سازی عملکرد

موضوع کلی: مهندسی نرم‌افزار سیستم

موضوع میانی: معماری و توسعه نرم‌افزارهای وابسته به سخت‌افزار

📋 سرفصل‌های کتاب (100 موضوع)

• 1. بخش اول: مبانی و مفاهیم اساسی**
• 2. مقدمه‌ای بر نرم‌افزار وابسته به سخت‌افزار
• 3. اهمیت و کاربردهای نرم‌افزار سخت‌افزار-محور
• 4. مروری بر معماری کامپیوتر: CPU، حافظه و گذرگاه‌ها
• 5. سلسله‌مراتب حافظه: از رجیسترها تا دیسک
• 6. سیستم‌های عددی و نمایش داده‌ها در سطح سخت‌افزار
• 7. بایت اوردر (Endianness): تفاوت Little-Endian و Big-Endian
• 8. زبان C به عنوان ابزار اصلی برنامه‌نویسی سیستم
• 9. اشاره‌گرها، آدرس‌دهی حافظه و آریتمتیک اشاره‌گر
• 10. ساختارهای داده و هم‌ترازی حافظه (Data Structure Alignment)
• 11. مبانی زبان اسمبلی و نقش آن در تعامل با سخت‌افزار
• 12. راه‌اندازی محیط توسعه: کامپایلر، لینکر و دیباگر
• 13. مفهوم کامپایل متقابل (Cross-Compilation) برای سیستم‌های نهفته
• 14. بخش دوم: رابط سخت‌افزار و نرم‌افزار**
• 15. فضای آدرس ورودی/خروجی و حافظه (Memory-Mapped I/O)
• 16. ورودی/خروجی مبتنی بر پورت (Port-Mapped I/O)
• 17. کاربرد کلمه کلیدی volatile در دسترسی به سخت‌افزار
• 18. مبانی وقفه‌ها (Interrupts) و بردارهای وقفه
• 19. کنترلرهای وقفه قابل برنامه‌ریزی (PIC و APIC)
• 20. نوشتن روتین‌های سرویس وقفه (Interrupt Service Routines - ISR)
• 21. دسترسی مستقیم به حافظه (Direct Memory Access - DMA)
• 22. کنترلرهای DMA و برنامه‌ریزی آن‌ها
• 23. آشنایی با گذرگاه‌های سخت‌افزاری (ISA, PCI, PCIe)
• 24. پیکربندی دستگاه‌های PCI/PCIe
• 25. آشنایی با پروتکل‌های سریال (UART, SPI, I2C)
• 26. برنامه‌نویسی برای پورت‌های سریال (Serial Ports)
• 27. ارتباط با دستگاه‌ها از طریق SPI
• 28. ارتباط با دستگاه‌ها از طریق I2C
• 29. بخش سوم: فرآیند بوت و راه‌اندازی سیستم**
• 30. فرآیند روشن شدن سیستم (Power-On Self-Test - POST)
• 31. نقش BIOS و UEFI در راه‌اندازی سخت‌افزار
• 32. سرویس‌های زمان اجرای UEFI
• 33. معماری بوت‌لودرها: GRUB و U-Boot
• 34. توسعه یک بوت‌لودر ساده: از حالت واقعی تا حالت محافظت‌شده
• 35. بارگذاری هسته سیستم‌عامل
• 36. مقداردهی اولیه سخت‌افزار در مراحل اولیه بوت
• 37. جداول توصیف‌گر سراسری و محلی (GDT و LDT)
• 38. جداول توصیف‌گر وقفه (IDT)
• 39. بخش چهارم: توسعه درایورهای دستگاه**
• 40. مقدمه‌ای بر درایورهای دستگاه و نقش آن‌ها
• 41. تفاوت فضای کاربر و فضای هسته (User Space vs. Kernel Space)
• 42. ماژول‌های هسته لینوکس: بارگذاری و حذف دینامیک
• 43. ساختار یک درایور کاراکتری ساده
• 44. ثبت و لغو ثبت درایور دستگاه
• 45. پیاده‌سازی عملیات فایل: open و release
• 46. پیاده‌سازی عملیات فایل: read و write
• 47. استفاده از ioctl برای کنترل‌های خاص دستگاه
• 48. ارتباط بین فضای کاربر و هسته
• 49. مبانی درایورهای بلوکی (Block Drivers)
• 50. معماری درایورهای شبکه (Network Drivers)
• 51. مفهوم صف‌های کاری و Tasklet‌ها
• 52. مدیریت زمان و تأخیر در هسته
• 53. تخصیص حافظه در فضای هسته (kmalloc, vmalloc)
• 54. همگام‌سازی در هسته: Spinlocks
• 55. همگام‌سازی در هسته: Mutexes و Semaphores
• 56. جلوگیری از شرایط رقابتی (Race Conditions)
• 57. مدیریت وقفه‌ها در درایورها
• 58. مفهوم Bottom Halves و Deferred Work
• 59. بخش پنجم: مدیریت پیشرفته حافظه**
• 60. آدرس‌دهی فیزیکی و مجازی حافظه
• 61. واحد مدیریت حافظه (MMU) و جدول صفحات (Page Tables)
• 62. بافر ترجمه آدرس (Translation Lookaside Buffer - TLB)
• 63. مفهوم صفحه‌بندی (Paging) و قطعه‌بندی (Segmentation)
• 64. خطاهای صفحه (Page Faults) و مدیریت آن‌ها
• 65. مبانی حافظه نهان (Cache) و اصول محلی بودن (Locality)
• 66. سطوح مختلف کش (L1, L2, L3) و عملکرد آن‌ها
• 67. انسجام حافظه نهان (Cache Coherency) در سیستم‌های چند هسته‌ای
• 68. پروتکل‌های انسجام حافظه نهان (MESI)
• 69. بخش ششم: همروندی، زمان‌بندی و سیستم‌های زمان-واقعی**
• 70. تفاوت همروندی و موازی‌کاری در سطح سخت‌افزار
• 71. عملیات اتمی و اهمیت آن در برنامه‌نویسی سیستم
• 72. زمان‌سنج‌های سخت‌افزاری و ساعت‌های سیستم
• 73. مقدمه‌ای بر سیستم‌های زمان-واقعی (Real-Time Systems)
• 74. تفاوت سیستم‌های زمان-واقعی سخت و نرم
• 75. زمان‌بندی در سیستم‌عامل‌های زمان-واقعی (RTOS)
• 76. اولویت‌ها و وارونگی اولویت (Priority Inversion)
• 77. ارتباطات بین وظیفه‌ای (Inter-Task Communication) در RTOS
• 78. محدودیت‌های زمان‌بندی و Jitter
• 79. بخش هفتم: بهینه‌سازی عملکرد مبتنی بر سخت‌افزار**
• 80. شناسایی گلوگاه‌های عملکردی: نرم‌افزار در مقابل سخت‌افزار
• 81. ابزارهای پروفایلینگ برای تحلیل عملکرد (perf, gprof)
• 82. شمارنده‌های عملکرد سخت‌افزار (Hardware Performance Counters)
• 83. تکنیک‌های بهینه‌سازی برای حافظه نهان (Cache-Aware Programming)
• 84. جلوگیری از Cache Misses: اجباری، ظرفیتی و تداخلی
• 85. پیش‌واکشی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری (Prefetching)
• 86. برنامه‌نویسی SIMD و دستورالعمل‌های برداری (SSE, AVX, NEON)
• 87. چالش‌های برنامه‌نویسی برای پردازنده‌های چند هسته‌ای
• 88. مدل‌های حافظه و سازگاری حافظه (Memory Consistency Models)
• 89. موانع حافظه (Memory Barriers/Fences)
• 90. بهینه‌سازی برای معماری‌های Non-Uniform Memory Access (NUMA)
• 91. استفاده از شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری (GPUs, FPGAs)
• 92. مقدمه‌ای بر GPGPU و CUDA/OpenCL
• 93. مدیریت مصرف توان (Power Management) و حالت‌های ACPI
• 94. تکنیک‌های کاهش مصرف انرژی در نرم‌افزار
• 95. بخش هشتم: ابزارها، دیباگینگ و روندهای آینده**
• 96. دیباگینگ در سطح پایین: JTAG و دیباگرهای سخت‌افزاری
• 97. شبیه‌سازها و امولاتورها (QEMU, Simics)
• 98. ابزارهای دیباگینگ هسته (KGDB, KDB)
• 99. ردیابی سیستم با ftrace و eBPF
• 100. تحلیل استاتیک برای کدهای وابسته به سخت‌افزار