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出版者:Oxford University Press, USA

作者:Alan Clements

出品人:

页数:672

译者:

出版时间:2006-3-30

价格:USD 104.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780199273133

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
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《硅芯的奥秘：计算机硬件的基石》 本书是一本深入探讨现代计算机硬件核心构成与运作原理的权威指南。它旨在为读者揭示支撑起我们日常数字生活的物理基础，从最基本的逻辑门到复杂的中央处理器，再到高效的数据存储和传输系统，逐一剖析其设计理念、工作机制以及演进历程。 第一部分：数字世界的基石——逻辑与电路 本部分将从最基础的层面入手，介绍构成一切数字计算的根本——逻辑门。我们将详细阐述AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR等基本逻辑门的工作原理，并展示如何通过组合这些基本单元构建出更复杂的逻辑电路，例如加法器、减法器、多路选择器和译码器。您将理解二进制数制如何成为计算机的通用语言，以及如何通过布尔代数来分析和设计数字电路。 进而，我们会深入探讨触发器（Flip-flops）和寄存器（Registers）的概念，这些是构建存储单元的关键。您将了解到时序逻辑电路是如何实现状态的保持和转移，以及它们在计算机指令执行中的作用。此外，我们还将介绍时钟信号在同步数字电路中的重要性，以及如何利用时钟周期来协调各个组件的操作。 第二部分：计算的核心——中央处理器（CPU）的架构与指令集 本部分将聚焦于计算机的心脏——中央处理器（CPU）。我们将首先解析CPU的内部架构，包括其核心组成部分：算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器组。您将了解ALU如何执行算术和逻辑运算，CU如何根据指令解码和调度操作，以及寄存器如何在CPU内部高速存储和访问数据。 随后，我们将深入探讨指令集架构（ISA）。您将学习到不同类型的指令（如数据传输、算术逻辑运算、分支跳转、输入输出等）是如何定义CPU可以执行的操作，以及RISC（精简指令集计算）和CISC（复杂指令集计算）两种主要指令集架构的优缺点与设计哲学。我们将解析指令的执行流程，包括取指、解码、执行、访存和写回等阶段，并介绍流水线（Pipelining）技术如何通过并行处理指令来提高CPU的性能。 此外，我们还将讨论缓存（Cache）的概念及其对CPU性能的影响。您将理解多级缓存（L1、L2、L3）的工作原理，以及缓存命中率如何决定数据访问的速度。 第三部分：数据的载体——内存与存储系统 本部分将转向计算机的内存和存储系统，它们负责保存和提供CPU所需的数据和程序。我们将首先介绍主存储器——随机存取存储器（RAM），包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）的技术原理、读写机制以及它们在计算机系统中的作用。您将了解内存控制器如何管理对RAM的访问。 接下来，我们将探讨非易失性存储技术，特别是固态硬盘（SSD）和传统机械硬盘（HDD）的运作原理。您将了解闪存（Flash Memory）技术在SSD中的应用，以及其与HDD相比的性能优势。我们还将介绍存储器的层次结构，包括CPU寄存器、缓存、主内存、二级缓存（如SSD）以及长期存储设备（如HDD、云存储）的工作方式，并分析数据在不同存储介质之间的移动和协调。 第四部分：沟通的桥梁——输入/输出（I/O）与总线系统 本部分将关注计算机如何与外界进行交互，以及内部组件之间如何进行高效通信。我们将深入了解各种输入设备（如键盘、鼠标）和输出设备（如显示器、打印机）的工作原理，以及它们如何将物理世界的信息转化为计算机可以处理的信号，或将计算机处理的结果呈现给用户。 然后，我们将详细解析总线系统（Bus System）。您将理解不同的总线类型，如数据总线、地址总线和控制总线，以及它们在CPU、内存和I/O设备之间传输信息的作用。我们将介绍PCIe（PCI Express）等现代高速总线技术，以及它们如何支持高带宽数据传输。 最后，我们将讨论中断（Interrupts）和直接内存访问（DMA）等机制。您将理解中断如何允许I/O设备请求CPU的注意，以及DMA如何允许设备在不经过CPU直接读写内存，从而提高系统效率。 第五部分：性能的追求——体系结构与优化 本部分将从更宏观的角度审视计算机硬件的设计原则，以及如何通过优化来提升整体性能。我们将探讨指令流水线（Instruction Pipelining）的更深层次概念，包括冲突（Hazards）的类型（结构冲突、数据冲突、控制冲突）以及解决这些冲突的各种技术，如分支预测（Branch Prediction）、延迟槽（Delay Slots）和乱序执行（Out-of-Order Execution）。 我们还将介绍多核处理器（Multi-core Processors）的设计，以及如何通过并行处理来提升计算能力。您将了解线程（Threads）、进程（Processes）以及它们在多核环境下的调度和管理。 此外，本书还会触及图形处理器（GPU）的基本架构和并行计算模型，以及它们在科学计算和人工智能领域的日益增长的作用。 《硅芯的奥秘：计算机硬件的基石》通过对这些关键领域的详尽阐述，为读者构建起一幅清晰而全面的计算机硬件图景。无论您是计算机科学专业的学生，还是希望深入了解电子设备内部运作原理的技术爱好者，本书都将为您提供宝贵的知识和深刻的洞察。

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坦白说，初次接触《Principles of Computer Hardware》这本书，我内心是有过一丝犹豫的，毕竟“计算机硬件”这个词汇听起来就充斥着艰涩的技术术语和复杂的电路图。然而，这本书以一种令人意想不到的魅力，打破了我所有的顾虑。作者运用了极为精妙的叙述技巧，将原本枯燥的技术内容，转化为一段引人入胜的故事。从最基础的晶体管如何工作，到它们如何组合成逻辑门，再到逻辑门如何构建出复杂的处理器核心，整个过程的讲解，如同解剖一个生命体，层层剥离，清晰可见。我尤其对CPU指令集的描述印象深刻，作者没有简单地列举指令，而是深入浅出地解释了不同指令集架构（如RISC和CISC）的设计哲学，以及它们是如何影响处理器性能的。让我为之惊叹的是，他对指令流水线（Instruction Pipeline）的阐述，将原本线性的指令执行过程，转化为并行处理的精妙设计，大大提升了CPU的效率。这让我仿佛看到了一个高效运作的工厂，各个工序并行进行，最大化产出。此外，对内存（RAM）的讲解也让我受益匪浅。作者详细介绍了DRAM和SRAM的工作原理，以及它们在速度、容量和成本上的权衡。我更是了解到，为什么计算机需要多级缓存（Cache）系统，以及操作系统是如何管理内存的。这本书的内容，不仅仅是技术知识的堆砌，更是一种对计算机系统设计思想的深刻洞察。它让我明白，每一个硬件组件的设计，都凝聚着工程师们的智慧和对性能的极致追求。读完这本书，我对计算机的运作原理，不再是模糊的印象，而是有了一个清晰、立体、系统性的认知。

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这本《Principles of Computer Hardware》如同一场精心策划的科学发现之旅，将我带入了一个我曾经认为遥不可及的领域。在阅读之前，我对于计算机内部的运作，仅停留在“通电就能用”的层面，对“硬件”的认知，更是模糊不清。然而，随着阅读的深入，我惊叹于作者将如此复杂的技术概念，转化为如此易于理解的语言。从最基本的逻辑门，如AND、OR、NOT，如何构筑起计算机的“思考”基础，到这些基础如何叠加，形成加法器、寄存器等更高级的组件，再到这些组件如何组成中央处理器（CPU）和内存（RAM），整个过程的逻辑性严谨得令人赞叹。我尤其对CPU的部分印象深刻，作者不仅仅罗列了CPU的组成部分，而是详细地讲解了指令集架构（ISA）、指令流水线（Instruction Pipeline）、缓存（Cache）等概念，让我仿佛亲眼目睹了指令如何在CPU内部快速地被处理。他用生动的比喻，将抽象的“数据通路”描绘得如同川流不息的河流，将“时钟周期”比作心脏的每一次跳动，让我对计算机的运作有了直观的认识。对存储器层次结构的讲解，更是让我对计算机的“记忆”有了全新的理解。从速度最快的寄存器，到容量最大的硬盘，作者清晰地阐述了它们的性能差异、成本以及在整个系统中的作用。我了解到，操作系统是如何巧妙地管理这些不同层级的存储，以达到最佳的性能表现。这本书不仅仅是知识的传授，更是一种思维的启迪。它让我理解了计算机硬件设计中“权衡”的重要性，例如，如何在速度、成本和功耗之间找到平衡。这种对底层原理的深入理解，让我对我们日常使用的电子设备，产生了前所未有的敬畏之情。

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坦白讲，我对这本书最初的期待是较低的，认为它可能只是一些枯燥的技术参数和概念的罗列，适合那些 already 投身于硬件开发领域的专业人士。然而，事实证明我大错特错了。这本书以一种极其令人惊叹的方式，将一个看似冰冷的领域，赋予了生命和温度。作者并非高高在上地宣讲理论，而是以一种平易近人的口吻，引导读者一步步走进计算机的心脏。我尤其喜欢他对“数据通路”的描述，那种数据在各个组件之间穿梭，如同生命体内的血液流动，每一次信号的传输，每一次状态的改变，都充满了活力。在讲解CPU的架构时，关于指令解码、执行单元、寄存器文件等部分，作者的阐述逻辑清晰，层层递进，即使是对计算机指令集完全陌生的读者，也能在短时间内建立起基本的概念。让我记忆犹新的是，他对于“时钟周期”的解释，将计算机的运作速度与我们日常生活中对时间的感知联系起来，从而使得这个抽象的概念变得易于理解。当我们深入到存储器的层次时，从最快的寄存器，到内存（RAM），再到硬盘和固态硬盘，作者通过对比它们的速度、容量和成本，深刻地揭示了计算机系统在设计时所面临的权衡与选择。我能感受到作者在字里行间流露出的对计算机硬件的热爱，他不仅仅在介绍技术，更是在分享他对这个领域独到的见解和思考。例如，在讨论如何优化数据传输效率时，他会引导读者思考，为什么需要DMA（直接内存访问）？它解决了什么痛点？这种追根溯源的讲解方式，让我对计算机的每一个组成部分，都有了更深刻的认识，不再是简单的“零件”组合，而是一个个为了实现特定目标而精心设计的“器官”。这本书的阅读过程，对我来说，就像是在解剖一台计算机，但不是以冰冷的手术刀，而是以一颗充满好奇的心，去探索它的每一个精巧的结构和运作的秘密。

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说实话，在拿到《Principles of Computer Hardware》这本书之前，我对计算机硬件的认知，几乎为零。我只知道电脑有CPU、内存、硬盘这些东西，但它们具体是怎么运作的，我却一无所知。这本书，就像是一盏明灯，照亮了我通往计算机硬件知识海洋的航程。作者的叙述风格非常独特，他不是那种干巴巴地罗列技术术语的人，而是善于用生动的比喻和形象的描述，将抽象的概念具象化。我尤其对CPU的指令流水线（Instruction Pipeline）讲解印象深刻，作者将其比作一个高效的装配线，指令在不同的工序之间并行处理，从而极大地提高了处理器的运算速度。这让我瞬间就理解了这个复杂的技术概念。此外，他对内存（RAM）和缓存（Cache）的讲解，也让我对计算机的“记忆”有了全新的认识。我明白了为什么内存速度远快于硬盘，以及为什么CPU需要多级缓存来弥补内存访问的延迟。作者还深入讲解了输入/输出（I/O）设备如何与CPU进行交互，以及总线（Bus）在数据传输中的关键作用。这本书的内容，不仅仅是枯燥的技术参数，更是一种对计算机系统设计思想的解读。我能够感受到作者在字里行间流露出的对计算机硬件的热爱，以及他对技术细节的极致追求。通过这本书，我不再是那个对计算机一无所知的门外汉，而是能够理解并欣赏计算机硬件的精妙之处，对其背后蕴含的科学智慧，肃然起敬。

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在我尚未翻阅《Principles of Computer Hardware》之前，对于计算机硬件的理解，就像是雾里看花，朦朦胧胧，只知其名，不知其所以然。而这本书，则如同一场及时的甘霖，滋润了我对计算机运作原理的渴求。作者的写作风格，既有科学的严谨，又不失文学的流畅。他没有直接灌输复杂的公式和晦涩的术语，而是循序渐进地引导读者，从最基本的电子元件，如晶体管，如何通过逻辑运算，构建出计算机的“思考”基石——逻辑门。我对CPU内部指令执行流程的讲解尤其感到惊叹，作者将指令的获取、解码、执行等步骤，细致地描绘出来，甚至让我能想象出数据在处理器内部如飞箭般穿梭的场景。关于内存（RAM）和缓存（Cache）的讲解，更是让我对计算机的“反应速度”有了全新的认识，我明白了为什么某些程序运行起来如此顺畅，而另一些则显得缓慢。作者对不同类型存储器（如DRAM、SRAM、NAND Flash）的深入分析，让我了解了它们各自的优势和劣势，以及在现代计算机系统中扮演的不同角色。这本书最让我印象深刻的，是它对计算机系统整体设计的强调。作者不仅仅是介绍各个组件的功能，更是着重阐述它们之间是如何协同工作的，数据是如何在它们之间高效流动的。这种宏观的视角，让我对计算机不再是零散的零件堆砌，而是成了一个精密而有机的整体。读完这本书，我不仅增长了知识，更重要的是，我对计算机的每一个“零件”，都充满了敬意，并对这个充满智慧的科学领域，产生了更深层次的兴趣。

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当我拿起《Principles of Computer Hardware》这本书时，我抱有的心态更像是一个好奇的探险者，想要窥探计算机那看似神秘的“内在世界”。而这本书，则像是一位循循善诱的向导，带领我一步步深入其中。作者的讲解方式，是我之前从未体验过的。他没有直接抛出深奥的概念，而是从最基础的物理原理入手，例如，电子在半导体中的流动，如何被控制，从而实现“开”与“关”的状态，也就是我们常说的二进制。这些基础知识，为后续更复杂的概念打下了坚实的基础。我尤其喜欢他对CPU内部结构的介绍，从指令的获取、解码、执行，到各种并行处理技术，如流水线（Pipelining）和超标量（Superscalar）架构，作者都用极为生动的语言进行了阐述。我甚至能想象出指令在CPU内部高速穿梭，如同在城市的主干道上飞驰的车辆。对存储器层次结构的讲解，也是这本书的一大亮点。从速度极快的寄存器，到容量巨大的硬盘，作者清晰地勾勒出了不同存储介质的性能特点，以及它们在整个计算机系统中的作用。我明白了，为什么计算机需要不同速度和容量的存储器，以及操作系统是如何进行内存管理的。这本书最让我惊叹的是，它不仅仅是介绍“硬件是什么”，更是深入探讨“硬件为什么这样设计”，以及“如何设计才能实现更高的效率”。作者在字里行间流露出的对计算机科学的热情，以及对细节的严谨追求，都让我深受感染。它让我不再将计算机视为一个“黑箱”，而是能够理解其内部的运作机制，并对其产生由衷的敬畏。

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要说这本书最让我印象深刻的地方，那无疑是它对于计算机硬件“系统性”的强调。我以往对计算机的认知，就像是把一个个零散的零件堆在一起，而这本书则像一位技艺精湛的建筑师，将这些零件巧妙地组装起来，展现出一座宏伟的建筑。从最底层的电子元器件，如晶体管，如何通过逻辑门组合成更复杂的电路，到这些电路如何构成CPU、内存、输入/输出设备，最后汇聚成一个完整的计算系统，作者的讲解逻辑严密，层层递进，让人如沐春风。我特别喜欢他对“总线”的论述，它就像计算机内部的“高速公路”，不同组件之间的数据传输都依赖于它。作者不仅详细介绍了不同类型的总线（如数据总线、地址总线、控制总线）的功能，还探讨了总线宽度、时钟频率等参数对系统性能的影响。这让我恍然大悟，原来计算机的“思考”速度，很大程度上取决于这些“高速公路”的畅通无阻。对CPU部分的讲解更是淋漓尽致，从指令集架构（ISA）的选择，到指令的获取、解码、执行，再到各种流水线和乱序执行技术，作者都用通俗易懂的语言进行了阐述，甚至让我这个非专业人士，也能窥探到处理器内部的“智慧”运作。让我印象深刻的还有对存储器层级的分析，从速度极快的缓存（Cache），到容量巨大的主内存（RAM），再到非易失性的辅助存储（硬盘/SSD），作者清晰地阐述了它们之间的权衡，以及操作系统如何有效地管理这些不同特性的存储资源。总的来说，这本书不仅仅是关于“硬件”，更是关于“硬件如何协同工作，以构成一个高效的计算系统”。它打破了我原有的零散认知，构建了一个系统性的、宏观的计算机硬件图景，让我对计算机的理解上升到了一个全新的维度。

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这本书给我带来的冲击，远不止是一次简单的阅读体验。它像一把锋利的钥匙，为我打开了通往计算机硬件深邃世界的大门，而我曾一度认为那是遥不可及的神秘领域。在我拿起这本书之前，对计算机的认知，仅仅停留在“软件与硬件的结合”这样一个笼统的概念上，甚至对“硬件”的具体构成都模糊不清。然而，随着翻阅的深入，那些曾经晦涩难懂的术语，如逻辑门、寄存器、总线，都变得生动起来。作者用一种极其富有条理和逻辑的方式，将这些看似独立的组件，编织成一张精密而复杂的网络。读到关于CPU指令集的部分，我仿佛能听到指令在处理器内部奔涌，完成各种计算任务时的轰鸣。讲解存储器时，那种层次分明的金字塔结构，从高速缓存的闪电般速度，到硬盘的持久存储，都得到了细致入微的描绘。让我印象尤其深刻的是，作者并没有停留在对每个组件的孤立介绍，而是花费了大量的篇幅去阐释它们之间是如何协同工作的，数据是如何在这些组件之间流动的，以及是什么样的物理原理支撑着这一切。这种全局观的构建，让我对计算机的运作有了前所未有的整体认知，不再是零散的片段，而是构成了一个有机的整体。我开始理解，每一次点击鼠标，每一次键盘敲击，背后都隐藏着如此精妙而高效的物理过程。这本书的严谨性体现在每一个细节，每一个公式，每一幅图示，都经过了反复的推敲和验证，让人信服。我不得不承认，在阅读过程中，我多次停下来，回味前文，甚至会主动去查阅一些相关的资料，来加深理解。这种主动学习的动力，很大程度上源于作者流畅而富有启发性的叙述风格。他总能在关键之处点醒读者，引导我们思考更深层次的问题，例如，为什么会有不同的总线架构？它们各自的优缺点是什么？如何权衡性能和成本？这些问题，在阅读这本书之前，我甚至从未意识到它的存在。总而言之，这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一次对计算机科学灵魂的探索，它让我对这个我们 everyday 使用的工具，产生了深深的敬畏之心。

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初次翻开这本书，我抱着一种“了解一二”的心态，毕竟“计算机硬件”这个词汇本身就带着一股技术性的压迫感。然而，让我意外的是，它所呈现的内容，并非枯燥乏味的堆砌，而是一场精心策划的知识冒险。作者似乎深谙读者的学习曲线，从最基础的逻辑门开始，循序渐进地构建起对整个计算机系统的认知框架。我尤其欣赏他对于“为什么”的深入剖析，例如，在介绍二进制和逻辑运算时，他不仅仅告诉你“是什么”，更阐述了“为什么”要选择二进制，以及它如何与物理电路的开关状态完美契合。这种对底层原理的追溯，让我对计算机的“思考”方式有了全新的理解。当我读到CPU的流水线和缓存技术时，那种对效率极致追求的工程智慧，让我拍案叫绝。作者用生动的比喻，将这些抽象的概念具象化，让我仿佛看到了指令在处理器中争分夺秒地“排队”和“等待”的场景。对存储器的讲解更是细致入微，从DRAM的电容充放电原理，到SRAM的触发器结构，再到固态硬盘的NAND闪存读写机制，每一种存储技术的演进背后，都蕴含着人类智慧的结晶。我特别喜欢作者在讨论不同硬件组件的接口标准时，所展现出的那种历史视角，比如PCIe总线是如何逐步取代ISA和PCI的，以及USB接口的出现如何极大地便利了外设连接。这种对技术演进的梳理，让我看到了计算机硬件并非一成不变，而是在不断地创新和发展中，朝着更高效、更便捷的方向迈进。书中的插图和图表也极为关键，它们将复杂的电路图和数据流用直观的方式呈现出来，大大降低了理解难度。可以说，这本书不仅仅是知识的传授，更是一种思维方式的启迪，它教会我如何从宏观到微观，层层剥茧，去理解一个庞大而精密的系统。

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毫无疑问，《Principles of Computer Hardware》这本书为我打开了一扇通往计算机核心世界的大门。在此之前，我对计算机的理解，仅仅停留在“软件运行在硬件之上”这样一个笼统的层面，而对“硬件”的具体构成和运作方式，则是一片空白。这本书的出现，彻底颠覆了我的认知。作者以一种极其系统和富有逻辑性的方式，从最基础的逻辑门开始，层层递进，讲解了如何构建出复杂的计算单元，如加法器、寄存器，直至整个中央处理器（CPU）。我尤其对CPU的指令集架构（ISA）的阐述印象深刻，作者不仅列举了不同架构的特点，更深入分析了它们在性能和效率上的权衡。读到关于指令流水线（Instruction Pipeline）和乱序执行（Out-of-Order Execution）的部分，我仿佛能看到CPU内部高速运转的“智慧”机器，不断地优化指令执行顺序，以达到最佳性能。对我而言，最具有启发性的是对存储器层次结构的讲解。从速度最快的CPU缓存，到主内存（RAM），再到非易失性的固态硬盘，作者清晰地勾勒出了不同存储介质的性能特点、成本以及在整个计算机系统中的作用。这让我深刻理解了计算机在处理海量数据时，是如何在速度和容量之间进行巧妙平衡的。这本书的价值，不仅仅在于它提供了丰富而准确的技术信息，更在于它塑造了我对计算机硬件的整体认知。它让我明白了，计算机的强大，并非偶然，而是无数工程师智慧和辛勤付出的结晶，是一个精密而高效协同运作的复杂系统。

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