计算机组成与结构

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出版者:清华大学出版社 作者:王爱英 出品人: 页数:483 译者: 出版时间:1998-09-01 价格:28.00元 装帧: isbn号码:9787302017882 丛书系列:清华大学计算机系列教材
图书标签
  • 计算机组成原理
  • 计算机体系结构
  • 数字逻辑
  • 汇编语言
  • 计算机硬件
  • 存储系统
  • CPU
  • 输入输出
  • 流水线
  • 并行处理
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具体描述

本书共分12章第一章到第十章主要

《数字电路与逻辑设计原理》 内容简介 本书旨在为初学者和希望系统性夯实基础的工程技术人员,提供一套全面、深入且富于实践指导的数字电路与逻辑设计入门教程。我们深知,理解数字系统的基石——逻辑门、组合电路和时序电路的工作原理,是迈向更高级别电子工程和计算机科学领域不可或缺的第一步。本书严格遵循从基本概念到复杂系统设计的循序渐进原则,力求内容严谨、阐述清晰,并注重理论与实际应用的紧密结合。 全书结构围绕数字系统的“输入-处理-存储-输出”核心流程展开,共分为七大部分,力求覆盖数字逻辑设计中的所有关键知识点。 第一部分:基础概念与数制系统 本部分首先引入数字系统的基本概念,界定模拟信号与数字信号的区别与联系,明确二进制在现代电子系统中的核心地位。我们将详细讲解二进制、八进制、十六进制之间的相互转换方法,并深入探讨补码、原码和反码等有符号数表示法,解析它们在计算机内部进行算术运算时的优势与局限性。此外,还会介绍逻辑代数的基础公理和基本定理,为后续的逻辑化简奠定坚实的数学基础。 第二部分:布尔代数与逻辑运算 本部分是全书的核心理论基石。详细阐述布尔代数(Boolean Algebra)的运算规则、德摩根定理(De Morgan’s Theorems)的应用,以及如何运用这些代数工具来描述和简化数字逻辑功能。我们将系统介绍基本逻辑门(与、或、非、异或、同或)的物理实现原理(基于CMOS技术)和真值表,并引导读者掌握使用布尔表达式直接推导出电路结构的方法。 第三部分:逻辑函数的化简 逻辑电路的效率高度依赖于其复杂程度。本部分专注于如何用最少的器件实现特定的逻辑功能。我们将详细教授卡诺图(Karnaugh Maps, K-Map)的绘制、分组和化简技巧,覆盖从二变量到五变量的各种情况,并重点讲解如何识别和处理“无关项”。对于更复杂的函数,本书会引入Quine-McCluskey(QM)方法,提供一套严谨的代数化简流程,帮助读者理解大型系统设计中的优化策略。 第四部分:组合逻辑电路设计 组合逻辑电路的特点是输出仅依赖于当前的输入信号,不含记忆功能。本部分将组合逻辑的理论知识应用于实际应用场景。内容涵盖: 1. 标准组合电路模块:详细分析和实现编码器(Encoders)、译码器(Decoders)、数据选择器(Multiplexers, MUX)和数据分配器(Demultiplexers, DEMUX)的功能、特性及其在数据路由中的作用。 2. 算术逻辑单元(ALU)基础:深入讲解半加器(Half Adder)和全加器(Full Adder)的设计,并扩展至串行和并行加法器的构建,理解带符号数加减运算的实现原理。 3. 比较器与奇偶校验器:介绍如何设计用于比较两个二进制数的电路,以及在数据传输中实现错误检测的奇偶校验电路。 第五部分:时序逻辑电路设计 与组合逻辑不同,时序逻辑电路的输出不仅依赖于当前输入,还依赖于电路的先前状态,即具有“记忆”功能。本部分着重于存储单元和反馈回路的构建。 1. 基本存储元件:详细剖析锁存器(Latches)(如SR锁存器)的工作机制,并重点介绍在同步电路中至关重要的触发器(Flip-Flops),包括RS, D, JK, 和T触发器,分析它们的特性表、激励表以及时序图的绘制。 2. 同步时序电路:讲解如何利用时钟信号对电路进行同步控制。内容包括寄存器(Registers)的设计(如移位寄存器),以及不同工作模式下的计数器(Counters)设计,包括异步(Ripple)计数器和同步计数器的设计与分析。 3. 有限状态机(FSM):本书将FSM的分析和综合作为时序电路设计的核心方法。我们采用米里(Mealy)模型和穆尔(Moore)模型,系统介绍状态图、状态表到电路实现的完整设计流程,并探讨状态简化技术,以实现更优化的时序电路。 第六部分:半导体器件与逻辑系列 为了让读者了解逻辑门的物理实体,本部分将简要介绍驱动数字电路的半导体器件基础,重点关注BJT和MOSFET的基本结构。随后,我们将对主流的集成电路逻辑系列进行对比分析,包括TTL(晶体管-晶体管逻辑)和CMOS(互补金属氧化物半导体)的电气特性(如扇出数、噪声容限、功耗),指导读者在实际应用中选择合适的逻辑系列。 第七部分:可编程逻辑器件简介 在现代电子设计中,通用器件正在被高度灵活的可编程逻辑器件(PLD)所取代。本部分将作为向更先进技术过渡的桥梁,介绍可编程只读存储器(PROM)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)的基本结构和工作原理,阐述如何使用硬件描述语言(HDL)对逻辑功能进行抽象描述和综合。 本书特点: 注重底层机制:深入讲解补码运算、锁存器对脉冲的敏感性等易混淆的底层细节。 大量实例与习题:每章后附有精心设计的例题和覆盖所有知识点的综合练习题,便于读者自我检验和加深理解。 工程化视角:强调设计中的约束条件,如时序要求(建立时间、保持时间)、功耗和成本的平衡。 本书适合作为高等院校电子工程、计算机工程、自动化专业本科生“数字电子技术”或“数字逻辑设计”课程的教材或参考书,也适合相关领域工程师进行系统性的知识回顾与深化。通过本书的学习,读者将能够独立完成从逻辑需求分析到具体数字电路实现的全过程。

作者简介

目录信息

第一章 计算机系统概论
1.
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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说实话,这本书的语言风格让我感到有点“吃力”。它更像是一份学术会议的论文集,而非一本面向工程实践的参考手册。作者似乎更热衷于对理论模型进行严密的数学推导,而不是提供清晰的“为什么”和“怎么做”。例如,在讨论存储器层次结构时,书中花了大量篇幅去推导最优的块大小(Block Size)和关联度(Associativity)的理论平衡点,这些数学公式的推导过程极其繁琐,即便最终得出了结论,也难以直观地感受到这种理论优化在实际芯片设计中是如何体现和权衡的。我更希望能看到一些来自 Intel 或 AMD 芯片的实际缓存设计参数作为对比,或者至少是一些具体的性能测试数据来佐证这些理论推导的实用价值。这本书几乎没有引用任何近十年内的主流芯片架构案例作为论据,这让它在介绍“结构”这个核心概念时,显得与现实世界有些脱节。对于渴望将理论知识立刻应用到架构设计或性能调优中的读者来说,这本书提供的“工具”可能需要进行大量的二次开发和解释。

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初次接触这类专业书籍,我本意是想建立一个清晰的、自上而下的计算机系统视图,从软件层面对硬件有一个全面的认知。这本书在“指令集架构”(ISA)的介绍上倒是花费了不少笔墨,RISC-V 和 x86 的对比分析有一定的参考价值。但遗憾的是,当涉及到内存管理单元(MMU)和虚拟内存的实现机制时,讲解显得有些晦涩和跳跃。特别是关于 TLB(转换后援缓冲器)的工作流程和缓存的替换算法(如 LRU 的实际硬件实现),作者似乎默认读者已经具备了相当的硬件知识背景,导致我这个初学者在理解这些核心性能瓶颈的环节时,需要反复查阅网络上的补充材料。这本书的图示部分是其弱项,很多关键的数据通路和控制信号的流向,如果能用更清晰、色彩更分明的图表来呈现,将会极大地提升阅读效率。现在这些图看着有些拥挤和单调,像是一些老式的工程草图,这对于需要视觉辅助来理解复杂交互的读者来说,是一个不小的障碍。总的来说,它更适合那些已经对计算机工作原理有初步了解,希望进行系统性查漏补缺的工程师,而不是完全的入门新手。

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这本书的阅读体验,我必须指出,它的深度和广度之间存在明显的失衡。在数据表示和算术运算那几章,对定点和浮点数的标准表示方法、溢出检测等基础概念的讲解可谓详尽无遗,甚至精确到了 IEEE 754 标准的每一个细枝末节,这一点我非常欣赏,对于需要精确处理底层数值计算的场景很有帮助。然而,一旦进入到 I/O 系统和总线架构的部分,叙述的力度就明显减弱了。现代高性能计算严重依赖于高效的外部设备通信,比如 PCIe 的复杂拓扑结构、DMA(直接内存访问)在不同总线仲裁机制下的性能差异,以及中断处理的延迟优化,这些在书中几乎是一笔带过。我期待看到更多关于不同类型总线(如同步/异步、单工/双工)在实际带宽和延迟上的性能对比分析,或者至少是一些现代服务器主板的I/O架构剖析,但这些内容在这本书里基本是缺失的。这种头重脚轻的结构,使得它在整体系统性能分析这一关键领域显得力不从心。

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在阅读这本《计算机组成与结构》的过程中,我最大的困惑在于其对“并行性”概念的处理。书中对指令级并行(ILP)的讲解,主要集中在超标量处理器和简单的指令调度上,这部分内容处理得尚可。但是,当涉及到大规模并行处理,尤其是 GPU 架构(GPGPU)的兴起和其SIMT(单指令多线程)模型的复杂性时,书中几乎没有涉及。要知道,如今的计算负载,从机器学习训练到科学模拟,都高度依赖于这种并行范式。这本书似乎完全避开了 GPU 这种异构计算的主流方向,转而将精力过多地放在了传统的 CPU 优化上,比如分支预测的改进和寄存器重命名技术的细枝末节。这导致这本书在介绍现代“计算机结构”的整体图景时,留下了一个巨大的、不可忽视的空白。它提供的是一个很好的、经典的、串行处理器的解剖图谱,但对于构建高性能计算系统的现代读者而言,这个图谱是不完整的,如同看一幅只有黑白两色的古代地图,虽然精美,却无法指引我们到达今天的科技前沿。

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这本《计算机组成与结构》的书,坦率地说,读起来体验非常复杂。我本来是希望能找到一本能深入浅出讲解现代计算机底层运作逻辑的权威指南。拿到书后,第一感觉是它的装帧和纸张质量都相当不错,这让我对内容抱有很高的期待。然而,翻开第一章,那种期望就开始被逐渐稀释。书中对冯·诺依曼体系结构的阐述略显陈旧,对于近年来高速发展的多核、异构计算以及存储器层次结构中的新趋势,比如非易失性内存(NVM)的应用和缓存一致性协议的最新演进,覆盖得不够深入。比如,在讲解流水线技术时,书中似乎还停留在早期的五级流水线模型上,对于乱序执行、分支预测的复杂算法细节,以及如何应对现代CPU中越来越大的功耗墙问题,都没有给出令人信服的、与时俱进的分析。对于一个希望跟上业界前沿的读者而言,这本书更像是一部优秀的、但停留在上个世纪末的教科书,它为你打下了扎实的基础,但后续的“高楼大厦”的搭建部分,需要你自行去寻找其他更专业的资料来补足。它的叙事风格偏向于学术的、教科书式的严谨,缺乏一些生动的案例来辅助理解那些抽象的逻辑门和时序图。

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