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出版者:清华大学出版社

作者:王炯

出品人:

页数:339

译者:

出版时间:2005-5

价格:27.00

装帧:平装

isbn号码:9787302106081

丛书系列:

图书标签:

• C语言
• 程序设计
• 二级
• 教材
• 计算机
• 编程
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• 教学
• 练习

《深入理解计算机系统：从硬件到软件的全面剖析》 图书简介 本书旨在为计算机科学、软件工程等领域的学习者和从业者提供一个全面、深入且系统的视角，剖析现代计算机系统的核心原理、底层机制以及软硬件之间的协同工作方式。我们不局限于某一特定编程语言的语法或某一层级的应用开发，而是致力于构建一个贯穿整个计算栈的知识体系，确保读者能够真正理解“程序是如何在硬件上运行起来的”。 第一部分：计算的基石——信息、数字与逻辑 本部分是理解后续所有复杂概念的起点。我们将从信息论的基本概念入手，探讨数据在计算机内部是如何被抽象和表示的。 1. 信息的度量与编码： 详细阐述位（bit）、字节（byte）以及它们在信息存储中的角色。重点解析不同类型数据（整数、浮点数、字符）的二进制表示方法。特别地，我们会深入讲解定点数与浮点数的IEEE 754标准，分析其带来的精度问题、溢出特性以及在不同架构下的兼容性。 2. 逻辑电路与组合逻辑： 回溯到计算的物理基础。介绍布尔代数的基本运算、逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）的实现原理。构建复杂的组合逻辑电路，如加法器（半加器、全加器）和多路复用器（MUX）。这部分内容旨在让读者明白，软件的执行最终是通过这些简单的物理开关操作实现的。 3. 顺序逻辑与存储单元： 探讨如何实现“记忆”功能。介绍锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop）的工作原理，这是构建一切存储设备的基础。在此基础上，分析寄存器、SRAM和DRAM的基本结构和读写时序，为理解CPU内部的寄存器文件和主存打下基础。 第二部分：中央处理器（CPU）的结构与操作 本部分聚焦于计算机的心脏——中央处理器，解析其内部组件如何协同工作以执行指令。 1. 处理器体系结构概述： 介绍经典冯·诺依曼结构和哈佛结构的区别与联系。重点阐述指令集架构（ISA）的概念，并以一个简化版RISC（精简指令集计算机）模型为例，解析指令的格式、寻址模式以及操作码的意义。 2. 数据通路与控制单元： 详细剖析指令执行的五个阶段：取指、译码、执行、访存和写回。分析数据通路中各个功能部件（算术逻辑单元 ALU、寄存器堆等）的数据流向。着重讲解控制单元的设计，如何通过时序信号控制数据在通路中的精确移动，确保指令的正确执行。 3. 流水线技术与性能提升： 深入探讨现代处理器如何通过指令流水线技术提高吞吐量。分析流水线的结构、时钟周期、以及数据依赖、控制依赖等导致的冒险（Hazard）问题。探讨解决冒险的策略，如转发（Forwarding/Bypassing）和分支预测机制。 4. 缓存层次结构与局部性原理： 缓存是决定程序运行速度的关键因素之一。详细解释局部性原理（时间局部性和空间局部性）。系统讲解直接映射、全相联、组相联等不同缓存映射方式的原理、命中与未命中机制、写回/写穿透策略，以及多级缓存（L1, L2, L3）的协作模式。 第三部分：系统软件与程序执行环境 本部分将视角从硬件转向操作系统和编译器，探讨源代码如何转化为在硬件上高效运行的机器码。 1. 编译器前端与优化基础： 概述编译器的工作流程，包括词法分析、语法分析和语义分析。重点分析中间代码的生成与优化技术，如常量折叠、死代码消除等。 2. 汇编语言与链接器： 深入学习一种典型的汇编语言（如x86或ARM），理解机器码与汇编指令的对应关系。详解目标文件格式（如ELF），以及链接器（Linker）在静态链接过程中如何解析符号引用、进行地址重定位，最终生成可执行文件。 3. 内存管理与虚拟内存： 解释操作系统如何抽象出巨大的、连续的虚拟地址空间。深入讲解分页机制，包括页表结构、TLB（转换后援缓冲器）的作用与工作流程，以及缺页中断（Page Fault）的处理过程。分析内存碎片、内存对齐对程序性能的影响。 4. 栈帧结构与过程调用： 详细解析函数（过程）调用的机制。阐述栈帧（Stack Frame）的布局，包括局部变量、参数传递、返回地址的保存与恢复。分析不同调用约定（Calling Convention）对程序行为的影响。 第四部分：系统交互与并发 本部分探讨程序如何与操作系统进行交互，以及处理多任务和数据共享的挑战。 1. 系统调用与异常处理： 解析程序如何通过系统调用（System Call）接口请求内核服务。分析中断（Interrupt）和陷阱（Trap）的机制，理解处理器如何从用户态切换到内核态，以及返回的过程。 2. 进程与线程： 区分进程（Process）和线程（Thread）的概念、区别与联系。讨论进程的创建、销毁、状态切换以及上下文切换（Context Switching）的开销。 3. 并发与同步： 引入并发编程中共享数据带来的竞态条件（Race Condition）问题。系统介绍使用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）以及条件变量（Condition Variable）等同步原语来保护临界区的技术，并分析死锁（Deadlock）的预防与检测。 4. I/O系统与文件抽象： 探讨标准I/O（如`printf`/`scanf`）背后的缓冲机制和系统调用。介绍块设备与字符设备的区别，以及操作系统如何通过抽象层（如文件系统）屏蔽底层硬件的复杂性。 本书结构严谨，理论与实践紧密结合。通过大量来自真实处理器的实例分析和代码片段，引导读者不仅知其“是什么”，更要明白其“为什么”和“如何实现”，是构建坚实计算机系统素养的理想教材或参考书。

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我注意到这本书的引言部分写得非常引人入胜，作者用一种非常平实却又充满力量的笔触，阐述了编写此书的初衷和它在当前语境下的价值。那段文字不仅仅是对全书内容的简单概括，更像是一次诚挚的对话邀请，它成功地激发了我对书中未尽内容的强烈好奇心。那种“非读不可”的冲动，往往源于作者真挚的情感和清晰的洞察力，而这本书的开篇恰恰做到了这一点。它没有堆砌华丽的辞藻，而是直击核心，让人感受到作者对于所探讨领域的热情和深度思考。这种开篇的基调，预示着接下来的内容也将是务实且充满洞见的，而不是空泛的理论陈述。

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这本书的语言风格似乎倾向于一种非常严谨但又不失温度的叙述方式。我瞥见了几处描述性的文字，它们精准而有力，没有丝毫的赘述，每一个词语的选择都似乎经过了深思熟虑，旨在最有效地传达信息。这种克制而又内敛的文字功底，往往是真正行家才能具备的特质，他们不需要用浮夸的辞藻来装饰自己的观点，而是依靠内容的深度来说服读者。我非常欣赏这种“润物细无声”的讲解方式，它给予读者充分的思考空间，而不是一股脑地灌输结论。如果全书都保持这种高水准的表达，那么这本书无疑将超越一般的教材或指南，成为一种值得细细品味的知识载体。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面的配色和字体选择都透露出一种复古而又不失现代感的韵味。拿到手里，首先感受到的是纸张的质感，那种略带粗粝却又细腻的触感，让人不由得想立刻翻开它来一探究竟。虽然我还没来得及深入阅读内容，但仅凭这外在的包装，就已经能感受到出版方在细节上的用心。尤其是书脊的设计，线条流畅，印着醒目的书名，即使在拥挤的书架上也能一眼被注意到。我期待着内部的排版是否能延续这份精致，毕竟阅读体验不仅仅关乎文字本身，也与阅读的载体息息相关。希望作者的文字能像这封面一样，给人带来视觉和精神上的双重享受，无论是对于一个资深的阅读者还是刚刚踏入某个领域的新手，都能提供一种愉悦的阅读旅程。

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从书本的整体厚度和字体大小来看，这似乎是一本内容详实、信息密度相当高的著作。我试着随意翻阅了几页，发现段落之间的留白处理得当，使得密集的文字信息得以呼吸，这对长时间阅读来说至关重要。即便是那些涉及复杂概念的描述，也似乎通过合理的排版和分段得到了有效的梳理，没有给人带来压迫感。这种对阅读舒适度的关注，体现了出版方对读者体验的尊重。一本好书，不仅要内容扎实，阅读体验也不能打折扣，尤其对于需要反复查阅或深入钻研的专业书籍而言，舒适的排版设计是保证学习效率的关键。我对书中呈现的详尽程度充满了信心，期待它能成为一本可以长期置于案头，随时取阅的参考宝典。

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这本书的目录结构布局给我留下了非常深刻的印象，它展现出一种清晰而富有逻辑的层次感。章节之间的过渡自然流畅，从宏观的概念逐步深入到具体的实践细节，这种编排方式极大地降低了阅读的门槛。我快速浏览了一下章节标题，发现它们都很具有引导性，似乎已经为读者规划好了学习路径，让人充满了探索的欲望。尤其是那些技术性的章节命名，既专业又不失亲切感，仿佛作者在用一种非常懂得读者的语言与我们交流。这种精心设计的目录，无疑是成功的一半，它保证了即便是面对复杂的主题，读者也能保持清晰的思路，不会轻易迷失在知识的海洋中。我深信，这样的结构安排，会让阅读过程变得高效而富有成效，是作者深厚功底和匠心独运的体现。

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