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出版者:清华大学出版社

作者:阿贝尔

出品人:

页数:545

译者:

出版时间:2006-5

价格:35.00元

装帧:

isbn号码:9787302128816

丛书系列:大学计算机教育国外著名教材系列（影印版）

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计算机系统与硬件基础 本书旨在为读者提供计算机硬件和底层系统运作原理的全面、深入的介绍。我们将从最基础的电子元件和逻辑门开始，逐步构建起一个完整的计算机系统模型，重点关注现代个人电脑（PC）架构的演进与核心组件的工作机制。 第一部分：数字逻辑与电子基础 第1章：信息与二进制表示 本章将深入探讨信息在计算机内部的表示方式。从信息论的基本概念出发，我们详细解析了二进制系统的原理及其在数字世界中的核心地位。内容包括：二进制、八进制、十六进制之间的转换规则；定点数与浮点数的表示标准（如IEEE 754），包括单精度和双精度格式的内部结构和舍入误差分析；以及用于数据表示和运算的各种编码方案，如二进制补码、格雷码、BCD码等，阐述它们在有符号数运算和数据传输中的特定应用场景。 第2章：布尔代数与逻辑门电路 这是理解所有数字电路的基础。本章系统梳理了布尔代数（Boolean Algebra）的公理、定理和化简方法，重点讲解了德摩根定律、分配律等在电路设计中的应用。随后，我们将介绍构成CPU和存储器的基本逻辑单元——逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR, XNOR）。深入探讨如何使用NAND或NOR门仅用一种基本门结构实现所有其他逻辑功能（通用性）。我们将介绍组合逻辑电路的设计流程，包括真值表构建、卡诺图（Karnaugh Maps）化简法，以及对多输入、多输出逻辑函数的设计实例，例如全加器（Full Adder）和译码器（Decoder）的实现。 第3章：时序逻辑电路与存储单元 与组合逻辑不同，时序逻辑电路（Sequential Logic Circuits）具有记忆功能，是构建CPU状态保持机制的关键。本章首先介绍基本触发器（Latch）的概念及其与时钟信号的关系。重点分析D触发器、JK触发器、T触发器的结构、特性表和激励表。在此基础上，我们将详细讲解如何利用触发器构建更复杂的存储单元，如寄存器（Register）和移位寄存器（Shift Register）。此外，本章还会详细剖析静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的单元结构、读写时序要求以及它们在现代系统中的应用差异和权衡。 第4章：算术逻辑单元（ALU）的设计与实现 算术逻辑单元是CPU的核心计算引擎。本章专注于解析ALU的功能模块，包括二进制加法、减法（基于补码运算）、逻辑运算（AND, OR, NOT, XOR）和移位操作的电路实现。我们将逐步构建一个能处理多位数据的加法器，从半加器到级联的全加器阵列，并讨论进位传播（Carry Propagation）对速度的影响及快速加法器（如先行进位加法器Carry Lookahead Adder）的设计原理。最后，本章会介绍如何组织这些逻辑模块，使ALU能够根据控制信号执行特定的算术或逻辑指令。 第二部分：计算机体系结构与总线系统 第5章：指令集架构（ISA）基础 本章引入指令集架构的概念，它是硬件与软件之间的桥梁。我们将分析不同类型的指令集，例如CISC（复杂指令集计算机）与RISC（精简指令集计算机）的设计哲学及其对处理器性能、功耗和设计复杂性的影响。内容涵盖指令的格式（操作码、操作数）、寻址模式（立即数、直接、间接、寄存器相对寻址等）的详细分类，以及指令执行过程中涉及的流水线概念的初步介绍。 第6章：存储器层次结构与管理 现代计算机的性能在很大程度上依赖于高效的存储器管理。本章深入探讨了存储器层次结构（寄存器、高速缓存、主存、辅助存储器）的设计目的和性能参数（容量、速度、成本）。核心内容集中在高速缓存（Cache Memory）的工作原理，包括：映射方式（直接映射、全关联映射、组相联映射）；替换策略（LRU, FIFO等）；以及写操作策略（写直通Write-Through vs. 写回Write-Back）。同时，本章还将简要介绍虚拟存储器（Virtual Memory）的概念、页表（Page Table）的结构以及TLB（Translation Lookaside Buffer）在地址转换中的作用。 第7章：系统总线与I/O接口 系统总线是计算机各组件之间通信的骨架。本章详细考察了系统总线的三大组成部分：数据总线、地址总线和控制总线。我们将分析不同代际的总线标准（如早期的ISA, EISA到现代的PCIe）的电气特性和协议规范。本章的重点将放在输入/输出（I/O）操作上，包括程序控制I/O、中断驱动I/O以及直接内存访问（DMA）的工作流程。我们将详细拆解DMA控制器的工作步骤，阐述其如何通过接管总线控制权来高效地传输大量数据，从而减轻CPU的负担。 第8章：处理器核心结构与微操作 本章聚焦于中央处理器（CPU）的内部组织。我们将介绍CPU的各个关键功能单元，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器和ALU的互连方式。重点分析指令的“取指-译码-执行-写回”周期。对于指令执行阶段，我们将深入探讨微程序控制（Microprogramming）和硬布线控制（Hardwired Control）这两种实现控制单元的主要方法，并分析它们在灵活性和速度上的优劣。此外，本章会首次引入指令流水线（Instruction Pipelining）的概念，解释其如何通过重叠指令周期来提高吞吐量，并讨论流水线冲突（数据冒险、控制冒险）的检测和解决机制。 第三部分：系统启动与固件接口 第9章：固件与系统自检 本章讲解计算机系统上电后到操作系统加载前的初始化过程。详细介绍BIOS/UEFI固件在系统启动中的作用。内容包括：POST（Power-On Self-Test）的各个阶段，它如何检查和初始化核心硬件组件；CMOS/NVRAM的作用；以及引导扇区（Boot Sector）和引导加载程序（Boot Loader）的工作机制。我们将探讨引导过程中的控制流转移，理解系统如何从固件控制过渡到引导程序，最终加载内核的流程。 第10章：硬件中断与异常处理 中断和异常是现代操作系统进行并发控制和错误处理的基础机制。本章区分了外部硬件中断（如键盘输入、计时器）和内部异常（如除零、非法指令）。我们将详细解析可编程中断控制器（PIC，如8259A或其现代替代品）的工作模式，包括中断请求（IRQ）的提交、中断向量表的结构，以及CPU如何响应中断信号，保存现场（上下文切换）并跳转到相应的服务程序（ISR）。本章将强调中断处理的实时性和优先级管理问题。 第11章：早期PC接口标准与扩展卡基础 本章回顾了早期PC扩展接口的演变，这对于理解底层硬件兼容性至关重要。我们将分析ISA总线的基本时序和信号线，并过渡到更现代的局部总线结构。重点介绍扩展卡（Expansion Cards）如何通过特定的I/O端口地址（Port Address）与CPU通信。我们将分析如何通过I/O指令（如`IN`和`OUT`）直接读写特定硬件寄存器，理解诸如并行端口（LPT）或串行端口（COM）在硬件层面的基础操作原理，这些知识对于诊断和低层调试仍然具有参考价值。 第12章：时钟、计时与延迟计算 时间管理是所有系统操作的基础。本章探讨了系统时钟源的原理，包括晶体振荡器和锁相环（PLL）在生成稳定系统时钟频率中的作用。我们将分析系统定时器（如8253/8254芯片或现代APIC中的高级可编程中断定时器）的工作模式，如何生成周期性中断用于时间片轮转。最后，本章将介绍在分析性能瓶颈时，如何估算不同硬件操作（如总线事务、内存访问、ALU操作）所需的基本时钟周期数，为后续的性能分析打下基础。

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说实话，这本书的排版和插图风格，透露着一股浓厚的上世纪八十年代末、九十年代初的技术书籍的“古典美”。这绝不是贬义，恰恰是它的魅力所在！那些手绘的、或者说是早期的点阵风格的流程图和内存结构示意图，虽然没有现在炫酷的3D渲染，但却异常清晰地勾勒出了当时PC内存分段、扩展管理的复杂性。阅读体验上，我得承认，它对现代程序员来说门槛是相当高的，因为它预设了读者对硬件物理概念有一定的基础认知，很多地方是“只做讲解，不负责手把手教你走到成功”的风格。但正是这种不妥协的硬核态度，才造就了它经久不衰的价值。我特别欣赏作者在讲解复杂指令集时的那种精确性，每一个时钟周期、每一个标志位的变化都被描述得淋漓尽致，这使得调试和优化在没有现代调试工具的年代，完全依靠脑力和书本上的知识就能完成。对我而言，这更像是一部关于计算机“哲学”的著作，而不是单纯的工具书。

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天哪，这本《IBM PC汇编语言程序设计》真是本穿越时空的宝藏！我拿到这本书的时候，心里就在想，这年头谁还写汇编啊？结果一翻开，完全被那种扎实的理论深度给镇住了。它不像现在那些浮于表面的编程指南，这本书简直就是把整个Intel处理器架构的运行机制，从最底层一板一眼地给你剖开揉碎了讲。我特别喜欢它对寄存器和内存寻址模式的讲解，那些晦涩难懂的概念，在作者的笔下，仿佛变成了清晰的地图，让人能毫不费力地追踪到数据在CPU内部是如何流转、运算的。尤其是在讲解中断处理和I/O端口操作那几章，作者的叙述逻辑严密得像教科书，但又充满了实践的温度，每一个例子都紧扣PC硬件的实际操作，让你感觉不是在看书，而是在直接和机器对话。那种深入骨髓的理解，是看任何高级语言框架都无法替代的。对于那些真正想知道“计算机是如何计算的”的硬核爱好者来说，这本书提供的知识厚度，绝对是无价之宝。它让我重新审视了程序执行的本质，而不是仅仅停留在代码的语法层面。

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我最近在尝试将一些老旧的嵌入式系统代码移植到新的架构上，结果发现，《IBM PC汇编语言程序设计》中关于底层硬件交互的论述，居然出奇地具有指导意义。虽然时代背景是IBM PC，但它对“如何绕过操作系统，直接和硬件说话”的原理阐述，是普适性的。这本书里面关于BIOS服务调用和直接视频内存写入的部分，简直是一部浓缩的“系统底层开发秘籍”。作者对8086/8088系列处理器的所有特殊指令集的细致梳理，远超一般参考手册的泛泛而谈。我特别注意到它对错误处理和异常机制的剖析，那是一种非常底层的、对程序健壮性的极致追求。读完后，我立刻去翻阅了几个我过去认为“黑箱”的部分的代码，现在感觉豁然开朗，那些看似随机出现的程序崩溃，现在都能追溯到汇编层面的某个标志位没有正确设置。这本书迫使你建立起一种“零信任”的编程思维，即相信任何东西，除非你亲眼在寄存器里看到它发生变化。

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最让我感到震撼的是这本书对程序效率的执着。在当时资源极度匮乏的环境下，每一条指令的选用都关乎程序的生死存亡。作者花费了大量的篇幅来对比不同指令组合在速度和代码体积上的权衡，这种“性能至上”的理念贯穿始终。它不是简单地告诉你“用ADD比MOV+INC快”，而是深入分析了流水线预取和总线竞争对指令执行时间的影响。我记得有一段专门讨论了如何利用处理器缓存机制（尽管当时缓存概念很初级）来优化循环的写法，这在今天看来都是高级的性能调优技巧。这本书的价值在于，它提供了一套完备的、基于物理限制的优化思维框架。它让你明白，任何高级语言的优化器背后，都必须遵循这些最基本的物理法则。读完后，我感觉自己对于“优化”的理解提升了一个维度，从对框架函数的调用优化，深入到了对最基本位操作的精细打磨。这本“老古董”，却教会了我最现代的性能调优思想。

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这本书的语言风格极其正式、严谨，几乎找不到任何闲笔或幽默元素，完全是一种面向科学报告的笔调。每一个章节的逻辑推进都像是精密仪器的操作步骤，层层递进，不容许丝毫含糊。在我阅读过程中，我发现它在数据结构在内存中的实际物理布局上着墨颇多，这在如今面向对象的编程范式下几乎被完全忽略了。比如，它对字符串的存储方式、栈帧的建立与销毁，以及参数传递的细节描述，都达到了令人咋舌的细致程度。我感觉作者对当时PC硬件的每一颗芯片的运作原理都了如指掌。我尤其对其中关于浮点运算单元（FPU）早期接口的描述很感兴趣，虽然现在FPU已经高度集成，但书中对精度控制和指令序列的分析，展现了那个年代程序员在有限资源下榨取性能的智慧。这本书与其说是在教编程，不如说是在训练一种对“计算资源”的敬畏之心。

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我竟然看过 ಠ‿ಠ

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