Feedback Control for Computer Systems

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出版者:O'Reilly Media
作者:Philipp K. Janert
出品人:
页数:336
译者:
出版时间:2013-10-31
价格:USD 29.99
装帧:Paperback
isbn号码:9781449361693
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • System
  • Programming
  • Feedback
  • 控制系统
  • 反馈控制
  • 计算机系统
  • 自动化
  • 控制理论
  • 嵌入式系统
  • 系统设计
  • 算法
  • 优化
  • 稳定性分析
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具体描述

Control theory has applications to everything from cloud computing to supply chain management. It's an amazingly important tool--and people have few accessible texts on it to learn from. "Feedback Control" will teach programmers how to apply concepts and methods from control theory to problems common in enterprise programming and data center management.

好的,这是一本关于数据中心能效优化的图书简介,其内容完全独立于《Feedback Control for Computer Systems》: --- 数据中心能效优化:从能耗洞察到智能节能策略 前言:挑战与机遇并存的数据中心能效前沿 在当今数字化驱动的世界中,数据中心已成为驱动全球经济和社会运转的核心基础设施。然而,随着计算需求的爆炸式增长,数据中心的能源消耗也达到了前所未有的水平,构成了巨大的运营成本压力和严峻的环境挑战。本著作深入探讨了数据中心能效优化的复杂性,旨在提供一套全面、系统且具有高度实践指导意义的框架,帮助行业专业人士和研究人员应对这一关键挑战。我们摒弃了传统的、侧重于特定硬件控制的视角,转而聚焦于跨层级的能耗洞察、建模以及基于复杂系统优化的节能策略。 本书不仅仅是技术的罗列,更是一次对数据中心生态系统能量流动的深度剖析。它强调从宏观的物理环境(PUE、CUE)到微观的组件级别(CPU/GPU功耗、存储I/O)的精细化管理,旨在实现整体效率的最大化。 第一部分:数据中心能耗的全面解析与量化 本部分奠定了理解和衡量数据中心能效的基础。我们首先构建了一个多尺度的能耗模型,它超越了简单的电力使用效率(PUE)计算,深入到IT负载、冷却系统、电力传输和基础设施的交互作用中。 第1章:现代数据中心能耗的结构性分解 本章详细分析了当前主流数据中心的典型能耗分布图谱。我们将区分IT设备(服务器、网络、存储)与支持基础设施(HVAC、UPS、照明)的功耗占比。特别地,我们探讨了新兴的异构计算(如GPU集群和AI加速器)对传统能耗模型的冲击,以及如何量化这些新负载的能效特性(如TOPS/Watt)。我们引入了“可操作能耗”(Operational Consumption)的概念,旨在将那些受管理决策直接影响的能耗部分从固定基线中分离出来。 第2章:能效度量衡:超越PUE的指标体系 虽然PUE是行业标准,但其局限性日益凸显。本章介绍了一系列更具信息量的能效指标,包括: 能效资源利用率(ERU): 衡量实际计算产出与输入能源的比值。 冷却效率指数(CEI): 专注于制冷子系统对环境条件波动的适应性。 碳使用效率(CUE): 结合电网碳排放因子,评估环境足迹。 我们还探讨了如何通过实时、细粒度的数据采集,构建动态的、场景感知的能效仪表板,以便管理人员能够即时发现并定位效率低下的环节。 第3章:数据驱动的能耗建模与预测 有效的优化依赖于准确的预测。本章专注于利用先进的统计方法和机器学习技术,为数据中心能耗建立高精度的预测模型。内容包括: 时间序列分析: 应用ARIMA、Prophet模型对历史能耗数据进行基线建模。 多元回归与特征工程: 识别并量化关键驱动因素(如室外温度、IT负载形态、服务器虚拟化密度)对总能耗的影响。 不确定性量化: 评估预测模型中的固有误差范围,为决策提供置信区间。 第二部分:冷却系统的能效革新与集成优化 冷却系统往往是数据中心能耗的第二大“黑洞”。本部分聚焦于如何通过先进的冷却技术和系统集成,实现能耗的根本性降低。 第4章:气流管理与热点缓解的物理优化 本章侧重于数据中心物理布局和气流控制的精细化工程。内容涵盖: 精确冷/热通道隔离技术: 密封条、导流板和地板孔板的部署策略。 送风速率的动态调控: 基于实时热图的送风量最小化方法,避免过度冷却。 局部冷却技术的应用: 探讨针对高密度机柜的行级(In-Row)和浸没式冷却(Immersion Cooling)的能耗效益分析和部署考量。 第5章:基于环境的冷却策略:自由冷却(Free Cooling)的最大化利用 本章深入研究如何最大限度地利用自然环境温度进行冷却。 间接/直接蒸发冷却的能效边界: 分析不同地理位置和空气质量限制下的应用可行性。 空气处理单元(AHU)的优化控制: 如何调整新风混合比、除湿和再热过程,以最小化机械制冷的介入。 与IT负载动态的协同: 探讨在自由冷却条件下,如何安全地提高服务器进风温度设定点,以进一步节省能源。 第6章:热能回收与余热再利用 本章展望了数据中心作为能源枢纽的未来。详细介绍了将数据中心产生的低品位热能转化为有用的能源(如区域供暖或热水)的技术路径和经济模型,包括热泵技术在数据中心余热回收中的应用案例。 第三部分:IT负载的能效调度与资源虚拟化 这是优化能效的核心领域,涉及如何更智能地分配计算任务,确保资源利用率最大化,同时避免不必要的能耗。 第7章:服务器级别的功耗管理与性能调优 本章关注单个服务器的能效潜力。 电源状态(C-States/P-States)的智能切换: 评估不同负载模式下,CPU/GPU功耗状态转换的延迟与节能收益的权衡。 电压-频率调节(DVFS)的精细化应用: 探讨如何根据应用程序的性能需求曲线,动态设定最优的电压和频率组合,避免性能过剩导致的能量浪费。 组件级能效分析: 对内存(DRAM)、固态硬盘(SSD)和网络接口卡(NIC)在不同工作负载下的能耗特征进行量化研究。 第8章:虚拟化环境中的负载均衡与整合 在虚拟化和容器化环境中,资源过度分配(Over-provisioning)是常见的能效杀手。 虚拟机迁移与整合算法: 设计基于能耗约束的资源放置策略,最大化物理服务器的平均利用率,同时保持服务质量(SLA)。 轻量级虚拟化(容器)的能效优势: 对比虚拟机与容器在资源开销和能耗上的差异,并提出容器化集群的能效调度模型。 工作负载的“弹性伸缩”: 构建自动化的、基于能耗阈值的容量调整机制,实现计算资源的分钟级弹性伸缩。 第四部分:端到端系统优化与未来趋势 本部分将前述的物理优化和IT优化相结合,探讨在整体系统层面实现能效闭环管理的方法论。 第9章:系统级优化:跨层级的协同调度 本章阐述了如何打破数据中心基础设施管理(DCIM)与IT资源管理之间的壁垒。 联合优化框架: 构建一个允许冷却和计算资源相互“对话”的框架,例如,允许冷却系统请求IT负载在局部区域进行转移,以优化局部PUE。 服务质量(QoS)与能耗的帕累托前沿分析: 如何在满足严格的延迟和吞吐量要求的前提下,找到能耗最低的运行点。 第10章:数据中心能效的未来展望 本章探讨了驱动未来数据中心能效提升的关键技术趋势: 光电集成与近存计算(In-Memory Computing): 分析这些新兴架构对内存墙和能效瓶颈的潜在解决方案。 完全异构计算集群的管理: 如何为CPU、GPU、FPGA和专用AI芯片设计统一的能耗感知调度器。 边缘计算的能效挑战: 探讨分布式计算模型中,如何平衡集中式数据中心的规模效益与边缘节点的能效约束。 --- 本书的特点在于其系统性的、跨学科的视角。它要求读者不仅具备深厚的IT知识,还需要理解热力学、流体力学以及先进的优化理论。通过本书的学习,读者将能够掌握设计、运营和持续改进高能效数据中心的必备知识和工具。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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当我开始阅读《Feedback Control for Computer Systems》这本书时,我并没有想到它会如此引人入胜。它不像我之前读过的很多技术书籍那样枯燥乏味,而是充满了探索的乐趣。我被书中对“自校正控制”的讲解所深深吸引。自校正控制是一种能够根据系统的变化,自动调整控制器参数的控制策略,它结合了系统辨识和反馈控制的思想。作者在这方面提供了非常详细的讲解,从其基本原理,到如何进行参数的在线估计和更新,都做了非常详尽的阐述。我尤其欣赏他对“递归最小二乘法”(RLS)的讲解,这是一种非常有效的在线参数估计方法,能够帮助控制器实时地适应系统的变化。书中还给出了自校正控制在网络流量控制、机器人路径规划等计算机系统中的应用案例,这让我深刻地体会到了自校正控制的灵活性和适应性。我记得书中对“模型参考自适应控制”(MRAC)的讲解也让我印象深刻,它为我提供了另一种处理动态变化的系统的方法。这本书的讲解方式,让我觉得它不仅能够提供知识,更能激发我解决问题的能力。

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这本书就像一座通往计算机系统内部复杂运作机制的宝藏,它没有简单地罗列知识点,而是精心设计了一条探索的路径。我被书中对“系统辨识”这一环节的详尽描述深深吸引。在很多实际应用中,我们很难精确地知道系统的数学模型,这时就需要通过采集系统的数据来估计模型的参数。作者在这方面提供了多种方法,包括基于频率响应的辨识和基于时域数据的辨识,并且会详细讲解每种方法的优缺点和适用场景。我记得书中举了一个关于识别一个简单电机模型的例子,从采集不同输入下的输出数据,到使用最小二乘法等算法进行参数估计,这个过程非常具体,也让我对系统辨识的实际操作有了初步的了解。更让我兴奋的是,书中还深入探讨了“自适应控制”这一前沿领域。在很多动态变化的计算机系统中,传统的固定参数控制器可能无法满足需求,这时就需要自适应控制器来根据系统的变化实时调整其控制策略。作者在这方面进行了深入的讲解,介绍了不同类型的自适应控制器,例如梯度下降自适应控制器和基于模型参考的自适应控制器,并分析了它们的理论基础和实现方法。我尤其欣赏他对自适应控制的“收敛性”分析,他不仅给出了数学证明,还通过仿真例子来直观地展示自适应控制器是如何逐步逼近最优控制策略的。这本书的讲解方式让我觉得,它不仅仅是一本教科书,更像是一本能够激发我学习兴趣的探索指南。我喜欢它对复杂概念的拆解和可视化呈现,让那些看似遥不可及的理论变得触手可及。

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这本书给我的感觉,就像是一位经验丰富的导师,耐心地引导我一步步探索反馈控制在计算机科学中的奥秘。开篇的章节就让我眼前一亮,作者没有直接跳入复杂的数学推导,而是从“为什么我们需要反馈控制”这个问题入手,层层递进,揭示了计算机系统固有的动态性和不确定性,以及反馈控制如何成为应对这些挑战的有力武器。这种“情境化”的引入方式,让我立刻就感受到了理论的生命力,而非枯燥的知识灌输。我尤其欣赏他对“系统”这个概念的定义,不仅仅是狭义的硬件,更是广义的软件、网络、甚至用户交互都纳入其中,这为我理解反馈控制的应用范围打开了新的视角。书中对“模型”的阐述也十分到位,他详细讲解了不同类型的系统模型,包括状态空间模型、传递函数模型等等,并且会用清晰的图示来辅助说明,让我能够直观地理解模型的建立过程及其在控制中的作用。我记得有一个章节详细讲解了如何对一个简单的服务器负载进行建模,从最初的简化假设到逐步精细化的模型,这个过程让我对模型的重要性有了更深刻的认识,也让我意识到,一个好的模型是设计有效控制器的基础。而且,书中对“控制器”的介绍也不是一成不变的,他循序渐进地介绍了PID控制器、状态反馈控制器等多种经典控制器的原理和设计方法,并深入浅出地分析了它们各自的优缺点以及适用场景。我特别喜欢他对PID控制器参数整定的讨论,他没有简单地给出几个调参口诀,而是通过深入的数学分析和仿真实验,让我理解了P、I、D三个参数对系统性能的影响,以及如何根据实际需求进行最优选择。这本书的逻辑非常清晰,从系统建模到控制器设计,再到稳定性分析和性能评估,每个部分都环环相扣,形成了一个完整的知识体系。

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读《Feedback Control for Computer Systems》这本书,我感觉像是走进了一间充满智慧的实验室,每一个章节都是一次精心设计的实验,让我能够亲手搭建和理解反馈控制的魅力。我对书中关于“非线性控制”的深入探讨留下了深刻的印象。在真实的计算机系统中,很多系统并非线性,例如,处理器的功耗与负载之间可能存在非线性关系,网络流量的拥塞也可能表现出非线性行为。作者在这方面提供了非常全面的讲解,介绍了如“分段线性化”、“滑模控制”和“模糊控制”等多种处理非线性系统的方法。我尤其欣赏他对“滑模控制”的阐述,他不仅详细讲解了滑模面的设计原理,还分析了其优点(如对参数扰动的不敏感性)和缺点(如可能引起的抖振现象),并且提供了如何通过“抖振抑制技术”来克服这些问题的方案。这种深入的分析让我对非线性系统的控制有了更清晰的认识。另外,书中关于“分布式控制”的章节也让我受益匪浅。在现代分布式计算环境中,每个节点都可能需要独立地进行控制,同时又要与其他节点协同工作。作者在这方面探讨了如何设计分布式控制器,以实现全局最优或满足特定性能要求。我记得书中举了一个关于多机器人协同完成任务的例子,说明了分布式控制在协调和优化方面的挑战,以及如何通过分布式一致性算法来实现目标。这种对分布式系统控制的关注,让我觉得这本书的内容非常具有前瞻性和实用性,能够帮助我应对日益复杂的计算系统。

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我发现《Feedback Control for Computer Systems》这本书,就像是一位经验丰富的向导,带领我穿越计算机系统复杂的反馈控制领域。让我印象深刻的是书中对“多变量控制”的详尽讲解。在许多计算机系统中,存在多个相互关联的输入和输出,例如,一个网络路由器可能同时需要控制带宽分配、延迟和服务质量。作者在这方面提供了非常全面的视角,介绍了如“传递函数矩阵”、“状态空间方程”等方法来描述和分析多变量系统。我尤其欣赏他对“相对可控性”和“相对可观测性”的解释,这让我明白了在多变量系统中,并非所有状态都能够被任意控制或观测到,这对于设计有效的控制器至关重要。书中还介绍了如“主元分析”、“广义预测控制”等处理多变量系统的方法。我记得书中举了一个关于温度和压力相互影响的例子,说明了多变量控制在协调和优化方面的挑战,以及如何通过设计合适的控制器来实现全局的性能提升。这种对多变量系统控制的关注,让我觉得这本书的内容非常具有前瞻性和实用性,能够帮助我应对日益复杂的计算系统。

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《Feedback Control for Computer Systems》这本书,给我一种想要立即投入实践的冲动。它不仅讲解了理论,更提供了实操的指导。我被书中对“数字控制器设计”的深入探讨所吸引。在现代计算机系统中,控制算法通常是在数字域中实现的,这就需要将连续时间的控制算法转换为离散时间的表示。作者在这方面提供了非常详细的讲解,从常用的“前向欧拉法”、“后向欧拉法”,到更精确的“双线性变换法”,都进行了详细的介绍。我尤其欣赏他对不同离散化方法的比较分析,他不仅解释了每种方法的数学原理,还分析了它们在精度和稳定性方面的差异,以及在实际应用中的选择依据。书中还给出了数字PID控制器、数字状态反馈控制器等在计算机系统中的设计和实现示例。我记得书中对“采样周期”的选择和分析也让我印象深刻,它关系到控制系统的性能和稳定性。这本书的讲解方式,让我觉得它不仅能够提供知识,更能指导我如何将理论转化为可执行的代码。

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当我在书架上看到《Feedback Control for Computer Systems》这本书时,它的名字就立刻吸引了我,它精准地概括了计算机科学中一个非常重要但又常常被忽视的领域。我发现书中对“模型预测控制”(MPC)的讲解尤为精彩。MPC是一种非常强大的控制策略,它能够在预测系统未来行为的基础上,通过优化算法来确定当前的控制输入。作者在这方面进行了深入的讲解,从MPC的基本原理,到其在求解线性或非线性优化问题上的应用,都做了非常详尽的阐述。我尤其喜欢他对“滚动优化”概念的解释,这让我明白了MPC是如何通过不断地预测和更新来应对动态变化的环境。书中还给出了MPC在资源调度、能耗管理等计算机系统中的实际应用案例,这让我深刻地体会到了MPC的强大之处。我印象深刻的是书中对“模型简化”和“约束处理”的讨论,这都是MPC在实际应用中需要面对的重要挑战。作者不仅提供了解决这些挑战的理论方法,还通过一些简化的示例程序,让我能够更好地理解MPC的实现过程。此外,书中对“强化学习”(RL)与反馈控制的结合也进行了探讨,这让我看到了未来计算机系统控制的新方向。作者分析了强化学习在解决复杂、未知系统控制问题上的潜力,并介绍了一些将强化学习算法应用于反馈控制的设计思路。虽然这一部分的讲解更偏向于前沿研究,但它为我打开了新的视野,让我看到了更多可能性。

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我拿到《Feedback Control for Computer Systems》这本书的当下,就被它扎实的内容所吸引。它不像市面上一些浮于表面的技术书籍,而是深入到计算机系统反馈控制的本质,提供了非常系统和全面的讲解。我印象最深的是书中对“稳定性”的讨论,这不仅仅是数学上的概念,更是对整个系统能否可靠运行的关键。作者非常细致地讲解了不同稳定性判据,比如Routh-Hurwitz判据和Nyquist稳定性判据,并且会通过生动的图示和实例来解释这些判据的几何意义和物理含义。这让我摆脱了对纯粹数学公式的恐惧,能够真正理解为什么一个系统是稳定的,或者为什么它会变得不稳定。我对书中关于“鲁棒性”的探讨也给予高度评价。在真实的计算机系统中,模型往往是不精确的,外部环境也充满了不确定性,因此,一个好的控制器不仅要能让系统稳定,还要具备一定的鲁棒性,能够在各种干扰下保持良好的性能。作者在这方面进行了深入的讲解,分析了不同类型的扰动和不确定性对系统性能的影响,并介绍了如何设计具有鲁棒性的控制器,比如H-infinity控制。我记得书中举了一个关于网络带宽波动的例子,说明了鲁棒性控制的重要性,这让我对反馈控制在复杂实际场景中的应用有了更深刻的认识。而且,本书的另一大亮点在于其对“性能指标”的详细阐述。除了稳定性,我们还需要关注系统的响应速度、超调量、稳态误差等,以确保系统能够满足实际应用的需求。作者在这方面提供了非常全面的指导,讲解了如何通过调整控制器参数来优化这些性能指标,并提供了相应的数学工具和分析方法。我尤其喜欢他对“根轨迹”和“伯德图”的讲解,这些图示化的工具让我能够直观地看到控制器参数变化对系统性能的影响,从而更有效地进行设计和调优。

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《Feedback Control for Computer Systems》这本书,给我一种想要深入研究的冲动。它不仅仅是关于理论的堆砌,更是关于如何将这些理论转化为解决实际问题的工具。我被书中对“状态估计”的深入剖析所吸引。在很多情况下,我们无法直接测量系统的所有状态,或者测量结果带有噪声,这时就需要通过状态估计器来重构系统的真实状态。作者在这方面提供了非常全面的讲解,从经典的卡尔曼滤波器,到扩展卡尔曼滤波器(EKF)和无迹卡尔曼滤波器(UKF),都进行了详细的介绍。我尤其欣赏他对卡尔曼滤波器的数学推导过程,他不仅清晰地展示了每个公式的由来,还深入分析了卡尔曼滤波器的优缺点以及适用范围。书中还给出了卡尔曼滤波器在目标跟踪、传感器融合等计算机系统中的应用案例,这让我能够直观地理解状态估计的重要性。我记得书中对“粒子滤波器”的讲解也让我印象深刻,它为处理非高斯噪声和非线性系统提供了另一种强大的工具。这本书的讲解方式,让我觉得它不仅能够提供知识,更能激发我独立思考的能力。我喜欢它在讲解复杂算法时,会引导我去思考“为什么”以及“如何”,而不是简单地给出答案。

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这本书的封面设计非常有吸引力,深邃的蓝色背景搭配简洁的白色字体,透露出一种专业而严谨的气息。我通常在选择技术书籍时,除了内容质量,书籍的整体呈现也会影响我的第一印象,而《Feedback Control for Computer Systems》无疑在这方面做得相当不错。当我第一次翻开它的时候,就被那种扑面而来的学术气息所吸引,纸张的触感温润,印刷的字迹清晰锐利,让人立刻就有了深入研读的冲动。书中插图和图表的排版也十分考究,不是那种随意的堆砌,而是精心设计,与文字内容完美地融合,极大地增强了阅读的直观性。例如,在解释某个复杂的控制算法时,作者会配上一张非常清晰的流程图,或者是一个能够直观展示系统响应曲线的图表,这对于我这样一个更偏向于视觉化学习的人来说,简直是福音。我尤其喜欢书中对概念的引入方式,不是一开始就抛出大量的公式和定理,而是从计算机系统在实际应用中遇到的问题出发,循序渐进地引出反馈控制的概念。这种“问题导向”的学习方式,让我能够更快地理解反馈控制在计算机领域的重要性,也让我对接下来的学习内容充满了期待。我曾尝试阅读过一些关于控制理论的书籍,但很多都过于理论化,与我的实际工作脱节。而《Feedback Control for Computer Systems》似乎恰好填补了这一空白,它没有回避理论的严谨性,但又始终围绕着计算机系统的实际应用场景来展开,这让我觉得这本书的内容非常接地气,也非常有价值。当我看到书中对一些经典控制算法的介绍时,我惊叹于作者的深入浅出,即使是那些我之前觉得晦涩难懂的数学模型,在作者的讲解下也变得生动易懂。他对每个模型的推导过程都进行了详细的阐述,并且会清晰地说明每个参数的物理意义,这对于我这样想要真正理解底层原理的人来说,是至关重要的。我特别欣赏书中对实际案例的分析,他会选取一些在计算机系统中常见的场景,比如网络通信中的拥塞控制,或者操作系统中的资源调度,然后用反馈控制的理论来分析这些问题,并提出相应的解决方案。这种将理论与实践相结合的做法,极大地增强了我学习的动力和信心,让我觉得学到的知识是可以直接应用到实际工作中的。

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