Computer Structures: Principles and Examples pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Mcgraw-Hill College

作者:

出品人:

页数:960

译者:

出版时间:1981-9

价格:USD 82.40

装帧:Hardcover

isbn号码:9780070573024

丛书系列:

图书标签:

• cs
• architecture
• 计算机体系结构
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• 汇编语言
• 系统设计
• 硬件设计
• 性能分析
• 存储系统
• 处理器设计
• 并行计算

计算机体系结构：设计、实现与性能优化 本书深入探讨了现代计算机体系结构的基石，从微观的逻辑门电路到宏观的并行计算模型，层层剖析计算机系统是如何构建、运作以及如何不断追求极致性能的。我们不仅仅关注“是什么”，更侧重于“为什么”以及“如何”，旨在培养读者对计算机系统深层原理的透彻理解，并具备分析和优化其性能的能力。 第一部分：数字逻辑与基本构建块 在深入探索复杂的处理器设计和系统互连之前，我们首先回溯到计算机最基本的构成元素：数字逻辑。本部分将详尽阐述二进制系统的基本原理，如何使用逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）来执行基本的逻辑运算。我们将详细介绍组合逻辑电路的设计，例如多路选择器、译码器、加法器等，以及如何使用它们构建更复杂的算术逻辑单元（ALU），这是CPU进行所有计算和逻辑操作的核心。 接着，我们将转向时序逻辑电路，理解触发器（Flip-flops）和寄存器（Registers）在存储和传递信息中的关键作用。掌握了时序逻辑，我们就能理解如何构建有限状态机（Finite State Machines），这是控制单元（Control Unit）的设计基础，负责协调CPU内部的指令执行流程。从简单的加法器电路到复杂的ALU，再到能够管理指令流的时序逻辑，这一部分为你奠定了理解CPU内部工作原理的坚实基础。 第二部分：指令集架构（ISA）与微体系结构 理解了底层的逻辑电路，我们便进入了计算机的“语言”——指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）。ISA是软件与硬件之间的桥梁，它定义了CPU能够理解和执行的所有指令、寄存器、寻址模式以及数据类型。我们将深入研究不同类型的ISA，例如精简指令集计算（RISC）和复杂指令集计算（CISC）的哲学差异、设计权衡以及它们对处理器性能和实现复杂度的影响。 在此基础上，我们将探索微体系结构（Microarchitecture），这是ISA的具体实现。我们将详细讲解CPU的各个组成部分，包括取指令单元（Fetch Unit）、解码单元（Decode Unit）、执行单元（Execution Units）、写回单元（Write-back Stage）以及存储器访问单元（Memory Access Unit）。通过对这些单元的深入分析，我们将理解流水线（Pipelining）技术是如何通过将指令执行过程分解为多个阶段，从而实现指令并行执行，显著提升吞吐量（Throughput）。 此外，我们还将深入探讨指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP）的进一步探索，包括超标量（Superscalar）设计，即在单个时钟周期内执行多条指令；以及乱序执行（Out-of-Order Execution），它允许CPU在不考虑指令原始顺序的情况下，利用可用资源并行执行就绪指令，从而隐藏指令延迟。我们还将讨论分支预测（Branch Prediction）技术，它在遇到条件分支时，通过预测分支的走向来避免流水线停滞，是提升现代CPU性能的关键技术。 第三部分：存储器系统与性能瓶颈 高效的存储器系统是现代高性能计算不可或缺的组成部分。本部分将全面剖析存储器体系结构，从CPU寄存器的高速访问，到多级缓存（Cache）的设计与原理。我们将详细讲解缓存的工作原理，包括缓存块（Cache Block）、缓存行（Cache Line）、命中（Hit）、未命中（Miss）、写策略（Write Policies）以及替换算法（Replacement Algorithms）。理解不同级别的缓存（L1, L2, L3）的容量、速度和在系统中的作用，对于理解程序执行速度的巨大差异至关重要。 我们还将深入研究主存储器（Main Memory），即DRAM（Dynamic Random-Access Memory）的工作原理，包括其刷新机制、访问时序以及提升其带宽和降低延迟的技术，如内存控制器（Memory Controller）的设计和双通道（Dual-channel）或四通道（Quad-channel）内存技术。 除了CPU与主存储器之间的通信，我们还将探讨I/O（Input/Output）系统。本部分将介绍各种I/O设备（如硬盘、网络接口卡、显卡）的接口标准和通信协议，以及DMA（Direct Memory Access）技术如何允许设备直接与主存储器进行数据传输，从而减轻CPU的负担。理解存储器层次结构以及I/O系统的瓶颈，是识别和解决计算机系统性能问题的关键。 第四部分：并行计算与多核处理器 随着摩尔定律逐渐接近物理极限，通过提升单核处理器频率来提高性能的道路变得越来越艰难。因此，并行计算成为了提升计算机性能的主流方向。本部分将从多核处理器（Multi-core Processors）出发，探讨如何在单个芯片上集成多个CPU核心，以及多核处理器如何通过同时执行多个线程来提高整体计算能力。 我们将深入研究多线程（Multithreading）和多进程（Multiprocessing）的概念，以及它们在软件层面的实现。我们将讨论同步（Synchronization）与互斥（Mutual Exclusion）机制，如锁（Locks）、信号量（Semaphores）和原子操作（Atomic Operations），它们是编写正确和高效并行程序的关键。 除了多核处理器，我们还将介绍更广泛的并行计算模型。这包括共享内存（Shared Memory）系统和分布式内存（Distributed Memory）系统。对于共享内存系统，我们将讨论对称多处理（SMP）和非对称多处理（AMP）架构。对于分布式内存系统，我们将探讨集群（Clusters）和大规模并行处理（MPP）系统，以及它们之间的数据通信方式，如消息传递接口（MPI）。 此外，我们还将简要介绍图形处理单元（GPU）的并行计算能力，以及它们在科学计算、机器学习和图形渲染等领域的广泛应用。理解不同的并行计算架构以及相应的编程模型，是充分发挥现代计算能力的基础。 第五部分：性能评估与优化策略 理论知识的掌握最终需要转化为实践能力的提升。本部分将聚焦于如何科学地评估计算机系统的性能，并学习如何识别和解决性能瓶颈。我们将介绍各种性能度量指标，如指令周期（Clock Cycle）、指令平均执行时间（CPI）、吞吐量（Throughput）、延迟（Latency）以及功耗（Power Consumption）。 我们将学习使用各种性能分析工具，例如性能计数器（Performance Counters）、性能分析器（Profilers）和基准测试（Benchmarks），来深入了解程序的执行过程，识别CPU、存储器、I/O或其他系统组件中的性能瓶颈。 基于对性能瓶颈的分析，我们将探讨一系列优化策略。这包括在软件层面，例如算法优化、数据结构选择、代码重构以及充分利用编译器优化选项。在硬件层面，我们将讨论如何通过选择合适的处理器、内存配置、存储设备以及其他系统组件来构建高性能的计算平台。 最后，我们将探讨功耗与性能之间的权衡（Power-Performance Trade-off），这是现代计算系统设计中一个至关重要的议题，尤其是在移动设备和大型数据中心的应用中。学习如何平衡性能需求与能源效率，是面向未来计算系统设计的重要考量。 通过对本书内容的学习，你将能够： 深刻理解计算机底层硬件的工作原理，从最基本的逻辑门到复杂的处理器设计。 掌握指令集架构（ISA）的设计理念及其对软件开发的影响。 深入了解CPU的微体系结构，包括流水线、超标量、乱序执行和分支预测等关键技术。 全面掌握存储器系统的层次结构，包括缓存、主存储器和I/O系统，并理解其对系统性能的影响。 理解并行计算的各种模型，包括多核处理器、共享内存和分布式内存系统。 学会使用性能分析工具，识别系统瓶颈，并运用相应的软件和硬件优化策略。 为进一步学习操作系统、编译器、计算机网络以及高性能计算打下坚实的基础。 本书不仅仅是一本技术手册，更是一扇通往理解数字世界奥秘的窗口。无论你是初学者渴望建立扎实的计算机科学基础，还是资深工程师希望深入理解系统设计的内在逻辑，本书都将为你提供宝贵的知识和启发。

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说实话，这本书的阅读体验是有些“硬核”的，它绝不是那种可以轻松翻阅的科普读物，更像是一份精密的工程蓝图。我记得最清楚的是关于内存管理单元（MMU）那一章节，作者没有止步于虚拟地址到物理地址的简单映射，而是细致地剖析了TLB（转换后援缓冲器）的组织方式、多级页表查找的性能开销，以及操作系统的介入点。那种对“性能瓶颈”的精准定位和优化思路的引导，非常具有实战价值。我曾拿着书中的理论去分析我们项目中一个困扰已久的延迟问题，结果发现，问题的根源恰恰隐藏在作者在某个脚注中提到的“抖动效应”上。这种将理论与实际工程问题紧密结合的能力，是这本书最宝贵的地方。它教会你的不是“是什么”，而是“为什么会这样设计”以及“如何才能让它运行得更快更稳健”。唯一的挑战是，它需要读者具备一定的预备知识，否则初次接触可能会感觉像在攀登一座陡峭的山峰，但一旦你登顶，视野将截然不同。

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与市面上那些热衷于追逐最新技术热点的书籍相比，这本书的价值在于其对基础原理的深刻把握和长远眼光。它很少提及某个转瞬即逝的芯片型号或者某个被迅速淘汰的软件框架，而是专注于那些经过数十年验证的、构成现代计算基石的“不变的真理”。例如，关于总线仲裁机制的论述，无论是早期的共享总线还是后来的交叉开关矩阵，其背后的竞争与同步逻辑是相通的。我发现，当我理解了书中对这些底层机制的透彻解析后，再去阅读最新的关于数据中心互联技术（如PCIe或NVLink）的规范时，那些新的接口协议仿佛都披上了一层熟悉的“底层逻辑”外衣，理解起来事半功倍。它不是一本关于“如何编程”的书，而是一本关于“如何思考机器”的书，这种思维层面的训练，是任何技术迭代都无法磨灭的财富。

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这本书的配图和图表是教科书级别的典范，它们不是简单的装饰，而是信息传达的核心载体。我记得在讲解中断处理流程时，如果仅仅依靠文字描述，很容易在多个寄存器状态和上下文切换中迷失方向。然而，书中提供的流程图将整个过程可视化了，从硬件触发到操作系统内核接管，每一步的状态变化都清晰可见，有效地降低了理解难度。更值得称赞的是，作者似乎预料到了读者可能产生的困惑点，并在关键的数学推导旁加上了简短的、极其精炼的解释性文字，这些注释往往能立刻点亮那些晦涩的公式背后的物理意义。这使得这本书在保持极高技术深度的同时，并没有完全陷入学院派的枯燥。它是一本真正面向实践的、对学习者极度友好的参考书，它的每一个章节都像是一个精心设计的实验室场景，邀请读者深入探索。

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这本书的结构安排有一种古典的严谨美。它似乎遵循着一条从最抽象的概念逐步落地到具体实现的路径，逻辑链条几乎是无懈可击的。举例来说，在讨论并行计算模型时，它首先建立了一个基于冯·诺依曼结构的基础模型，然后逐步引入多核、SIMD指令集，最后才过渡到更复杂的异构计算概念。这种层层递进的方式，使得复杂的概念也能被拆解得井井有条。我特别欣赏它对“权衡”艺术的描绘。计算机科学的本质就是选择与妥协，书中对不同架构（比如CISC与RISC的长期演变）的优缺点分析，充满了历史的厚重感和洞察力。它不是在推销某一种技术是绝对的优越，而是在教导读者如何根据应用场景来评估和选择最合适的工具。对于正在撰写毕业设计或者进行技术选型的新手来说，这本书提供的分析框架比任何单一的“最佳实践”指南都要来得可靠和持久。

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这本厚重的教科书，初次捧起时，着实被其内容的广度和深度所震撼。它似乎不满足于仅仅介绍计算机的某个特定层面，而是试图构建一个宏大而严谨的知识体系。我尤其欣赏作者在处理底层硬件与上层软件交互逻辑时的那种丝丝入扣的讲解。比如，当它深入到指令集架构（ISA）的设计哲学时，那种对效率、兼容性与设计取舍的权衡分析，远非市面上其他同类书籍所能比拟。书中对流水线技术、缓存一致性协议的描述，不仅仅是概念的堆砌，更是伴随着大量翔实的例子和精妙的示意图，仿佛一位经验丰富的工程师在手把手地带你进行一次复杂的芯片设计漫游。阅读过程中，我常常需要停下来，仔细研究那些复杂的时序图和数据通路图，体会那种“一切皆有源头”的震撼感。它强迫你跳出使用者的视角，进入到构建者的思维模式中去理解机器是如何真正运转的。对于那些渴望成为系统架构师或者资深嵌入式开发人员的读者来说，这本书无疑是一块坚实的基石，它为你打下的理论基础，能让你在面对未来任何新的硬件范式时，都能迅速抓住其核心脉络。

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