计算机组成与系统结构

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出版者:中国水利水电出版社 作者:曹义亲 出品人: 页数:273 译者: 出版时间:2001-05 价格:23.00元 装帧:平装 isbn号码:9787508406077 丛书系列:
图书标签
  • 计算机组成原理
  • 系统结构
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  • 数字逻辑
  • 汇编语言
  • CPU
  • 存储器
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  • 计算机系统
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具体描述

本书主要介绍计算机各大部件的结构、工作原理、设计方法及组成整机的有关技术,同时讲述了计算机系统结构的基本概念、设计原理、分析方法及发展趋势。具体内容有:计算机系统概述、计算机逻辑部件、运算方法与运算器、存储器系统、指令系统、控制器、输入输出系统、计算机系统结构、计算机系统结构的发展方向。每章后均附有习题。

本书可作为高等职业技术学院、各类专科学校和成人教育计算机有关专业的教材,亦可供高校本科有关专业师生、工程技术人员和其他读者学习使用。

《数字世界的基石:现代集成电路设计与制造》 书籍简介 本书深入剖析了现代集成电路(IC)从概念设计到最终制造的完整流程。它并非聚焦于计算机系统的高层架构或软件实现,而是将视野聚焦于构成所有现代电子设备——包括计算机——的微观物理基础:芯片本身。 第一部分:半导体物理与器件基础 本书的开篇部分,首先构建了理解集成电路的物理和材料科学基础。我们详细探讨了硅(Si)作为核心半导体材料的特性,晶体结构、能带理论,以及掺杂过程如何精确控制导电性。 晶体管的演进: 重点阐述了MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的工作原理,这是现代数字电路的基石。我们不仅分析了理想的器件模型,还深入到亚微米和纳米尺度下,空穴和电子的输运机制、短沟道效应、漏电流、以及阈值电压的精确控制技术。这部分内容旨在提供对“开关”的物理本质的深刻理解,而非仅仅将其视为布尔逻辑的基本单元。 CMOS工艺: 详述了互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的关键步骤,包括氧化、光刻(Photolithography)、刻蚀(Etching)、离子注入和薄膜沉积。我们特别关注极紫外光刻(EUV)等前沿技术如何突破衍射极限,实现纳米级的特征尺寸。这部分内容完全侧重于半导体制造的物理工程挑战。 第二部分:超大规模集成电路(VLSI)设计流程 本部分转向系统化的设计方法论,介绍如何将数以亿计的晶体管转化为具有特定功能的电路。这完全脱离了对计算机指令集、内存层次结构或操作系统原理的讨论,而是专注于电路层面的实现。 前端设计(逻辑综合): 描述了如何将系统行为描述语言(如Verilog或VHDL)转化为门级网表。重点分析了逻辑门的优化、时序分析(Static Timing Analysis, STA)的基本概念,以及如何确保电路在目标时钟频率下稳定运行。我们将讨论亚稳态、毛刺(Glitch)的消除策略,这些都是在系统结构层面难以察觉的细节。 后端设计(物理实现): 详细介绍了布局规划(Floorplanning)、电源网络设计(Power Distribution Network, PDN)、时钟树综合(Clock Tree Synthesis, CTS)和最终的版图设计(Layout)。我们着重分析了互连线延迟(Interconnect Delay)在现代工艺节点中占据主导地位的现象,并探讨了布线拥塞的解决策略。这部分内容是关于如何将抽象的逻辑图映射到实际硅片上的几何图形。 验证与仿真: 讲解了功能验证和形式化验证的方法,以及如何使用Spice等工具对关键电路块进行精确的晶体管级仿真,确保电路在各种工艺角(Process Corners)下的可靠性。 第三部分:模拟、混合信号与接口电路 现代芯片很少是纯数字的。本书专门辟出一章,探讨如何处理真实世界信号与数字世界之间的桥梁。 基础模拟电路: 介绍运算放大器(Op-Amp)、比较器、锁相环(PLL)和延迟锁定环(DLL)的设计原理。这部分内容完全围绕于如何处理噪声、失真和线性度,这些是数字逻辑设计中不常考虑的参数。 数据转换器: 深入分析了模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的架构(如流水线式、Σ-Δ、逐次逼近寄存器SAR等),并探讨了量化噪声、有效位数(ENOB)等关键性能指标的物理限制。 第四部分:先进制造与可靠性挑战 最后,本书展望了集成电路制造领域的当前瓶颈和未来方向,完全聚焦于物理制造和器件可靠性。 良率与缺陷控制: 分析了制造过程中的随机缺陷和确定性缺陷如何影响芯片的生产良率,以及缺陷检测和修复技术(如e-beam probing)的应用。 可靠性物理: 探讨了长期可靠性问题,包括电迁移(Electromigration)、热效应、以及新工艺节点下面临的量子隧穿效应和TDDB(时间依赖性介质击穿)风险。 总结 本书旨在为读者提供一个从材料科学到纳米尺度电路实现的全景式视角。它详尽地描述了如何通过精密的物理控制和复杂的电子设计自动化(EDA)流程,将沙子转化为能够驱动全球信息技术的复杂计算核心。它不涉及指令集架构、操作系统内核、编译器优化或高级算法设计,而是完全专注于“如何制造出那个执行这些功能的物理实体”。读者将掌握的是半导体工程、物理电子学和集成电路版图设计的核心知识。

作者简介

目录信息

前言
1 计算机系统概述
1.1 计算机系统的硬件结构1.2 计算机的工作过程
1.3 计算机的软件系统
1.4 计算机系统的层次结构
1.5 系统结构的评价标准
习题
2 计算机逻辑部件
2.1 寄存器
2.2 计数器
2.3 编码器和译码器
2.4 总线缓冲器和总线控制器
2.5 时钟发生器
习题
3 运算方法与运算器
3.1 数的小数点表示方法
3.2 带符号数的表示方法
3.3 运算器
3.4 定点加减法运算
3.5 定点乘法运算
3.6 定点除法运算
3.7 浮点算术运算
习题
4 存储器系统
4.1 存储器的基本知识
4.2 半导体存储器
4.3 并行主存储器
4.4 高速缓冲存储器
4.5 虚拟存储器
4.6 存储保护
习题
5 指令系统
5.1 指令系统
5.2 指令格式
5.3 寻址方式
5.4 指令的分类
5.5 精简指令系统计算机RISC
习题
6 控制器
6.1 中央处理器的功能与组成
6.2 控制器的功能与结构
6.3 时序
6.4 微程序控制器
6.5 组合逻辑控制器
6.6 PLA逻辑控制器
6.7 系统总线
习题
7 输入输出系统
7.1 概述
7.2 主机与外设的数据传送方式
7.3 外围设备
习题
8 计算机系统结构
8.1 标量流水技术
8.2 向量流水处理
8.3 并行处理与多处理机系统
习题
9 计算机系统结构的发展方向
9.1 数据流计算机
9.2 数据库机与知识库机
9.3 归约机
习题
参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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**评价三:** 作为一名有着多年编程经验的开发人员,我深知底层知识对于突破瓶颈的重要性。这本书在数据通路和控制单元的设计这一块,简直就是一本精妙的工程蓝图。它细致地剖析了不同代际处理器中控制逻辑的演变,从硬布线控制到微程序控制,每一步的取舍都伴随着性能、功耗和设计的复杂度考量。我尤其喜欢它对时序逻辑和组合逻辑在CPU控制设计中应用的对比分析,这使得我们这些习惯于高层抽象的程序员,能够真正理解为什么在特定时刻需要对时钟频率和指令周期进行精细控制。书中关于并行性处理的讨论,比如超标量架构的指令发射逻辑和乱序执行的原理,讲解得非常清晰,它不仅仅停留在“快”这个表象,而是深入到了如何通过硬件手段重构程序的执行顺序以达到性能最大化的工程智慧。这本书提供了一个坚实的理论基础,让我们在面对现代多核、异构计算的复杂性时,能够回归到最基本的计算模型上去审视问题,而不是被表面的技术名词所迷惑。

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**评价二:** 坦白说,我对技术书籍的阅读体验往往是伴随着挑战和挫败感的,但这本书给我带来了完全不同的感受。它最成功的地方在于构建了一个宏大而又细致入微的“系统观”。作者并没有将硬件和软件割裂开来,而是清晰地描绘了它们之间相互依赖、相互影响的复杂关系。例如,在讨论操作系统如何管理虚拟内存时,书中清晰地串联起了硬件的页表机制、操作系统的内存分配策略,以及应用程序对内存的请求过程,这种跨越不同抽象层次的讲解方式,极大地拓宽了我的视野。我过去总觉得硬件是固定的“铁盒子”,软件是运行在上面的“幽灵”,但这本书让我明白了,两者是一个共同进化的有机体。特别是关于I/O子系统和中断处理的那几章,分析得极为透彻,让我明白了为什么不同的外设在系统中的响应速度会有如此显著的差异,背后的根源就在于总线仲裁和DMA的设计哲学。这本书的语言风格是那种沉稳而富有洞察力的,它不哗众取宠,而是用扎实的论据和严谨的逻辑说服读者,让人忍不住想一页接一页地读下去,去探索更多隐藏在系统表象之下的运行机理。

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**评价四:** 这本书的排版和配图水平达到了教科书的顶尖水准。很多晦涩难懂的概念,比如总线事务的仲裁过程,或者多级缓存的映射策略,如果仅仅依靠文字描述,几乎不可能形成清晰的认知。然而,这本书中的插图设计得极其专业,线条清晰,色彩运用得当,每一个图例都仿佛是为理解特定概念量身定做的一把钥匙。我发现自己可以仅仅通过对照图示,就能快速定位和理解章节的核心内容。这种视觉化的学习辅助极大地提升了阅读效率,尤其是在学习那些涉及空间布局和时间序列的知识点时。此外,本书的章节结构安排也体现了对学习者心路的关怀。它没有一开始就抛出最复杂的并发控制问题,而是循序渐进地从最基本的数字逻辑门开始,逐步构建起完整的计算模型,这种由浅入深,由局部到整体的叙事结构,使得学习过程更加平稳和自信。对于自学者而言,这种精心设计的阅读路径是极其宝贵的。

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**评价五:** 我通常认为技术专著在“前沿性”和“基础性”之间很难找到平衡点,但这本著作成功地架起了这座桥梁。它在夯实经典计算机体系结构核心知识的同时,对当前正在发生的技术变革保持着敏锐的洞察力。例如,它对内存墙问题的分析不仅回顾了DRAM的发展,还引入了新型非易失性存储器的潜力与挑战,让人对未来的存储层次结构有了更前瞻性的思考。更让我印象深刻的是,书中对能效比这个日益重要的指标的重视程度。它没有将能耗视为一个次要问题,而是贯穿始终地讨论了如何通过架构优化(如动态电压频率调整、功耗门控)来实现性能与功耗的平衡,这对于当下整个计算行业面临的绿色计算挑战具有极强的现实指导意义。这本书提供给读者的,不仅仅是一套知识体系,更是一种面向未来技术演进的分析框架,它教会我们如何批判性地看待新的架构提案,并预判其在现有生态中的兼容性和潜力。读完它,感觉自己对整个计算机学科的脉络把握得更精准了。

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**评价一:** 这本书的内容真是让人眼前一亮,特别是它对底层硬件原理的阐述,深入浅出,即便是初次接触计算机领域的读者也能领悟其中的奥妙。作者在描述CPU的工作机制时,没有陷入冗长晦涩的术语堆砌,而是巧妙地运用了生动的比喻,比如将寄存器比作工匠手边的工具箱,将内存比作仓库的不同层级,让抽象的概念变得触手可及。我尤其欣赏它在指令集架构(ISA)部分的处理方式,它并没有简单罗列各种指令,而是侧重于讲解设计思想,比如RISC和CISC的权衡与演进,这对于理解现代处理器设计的哲学至关重要。读完这部分,我感觉自己不再只是一个会使用软件的“用户”,而是一个能洞察机器“思考”过程的“观察者”。书中对流水线技术和缓存一致性协议的讲解也极其到位,它没有停留在概念层面,而是通过实际案例和图示,清晰地展示了性能瓶颈的产生与优化路径,这对于未来想要从事高性能计算或系统优化的读者来说,无疑是一份宝贵的财富。整体而言,这本书的叙事节奏把握得非常好,知识点层层递进,逻辑严密,让人读起来有一种酣畅淋漓的满足感。

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