计算机应用标准教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学

作者:田中雨

出品人:

页数:361

译者:

出版时间:2008-3

价格:39.00元

装帧:

isbn号码:9787302168164

丛书系列:

图书标签:

• 计算机应用
• 计算机基础
• 办公软件
• 信息技术
• 应用技能
• 教材
• 计算机等级考试
• 基础教程
• 数媒
• 职业教育

探寻数字世界的构建基石：《计算机系统底层架构与优化实践》 书籍简介 本书旨在为读者提供一个深入理解现代计算机系统底层运作机制的全面视角。在“计算机应用标准教程”侧重于软件层面应用和操作技能的背景下，本书将视角向下沉，聚焦于决定所有应用性能与稳定性的核心硬件、固件与操作系统内核的交互机制。我们相信，只有真正掌握了计算的物理基础，才能在更高层次上实现高效、可靠的软件设计与系统部署。 本书内容涵盖了从硅片到操作系统的完整技术栈，详细剖析了现代计算设备的内部逻辑，旨在培养读者具备系统级思维和解决复杂性能瓶颈的能力。 --- 第一部分：硬件基础与指令集架构的深度解析 (约 400 字) 本部分是理解一切软件运行之本的基石。我们将彻底解构中央处理器（CPU）的内部结构，不再停留在“处理器”这一抽象概念上。 1. 晶体管到核心的演进： 详细介绍半导体工艺的进步如何影响现代芯片设计，包括 FinFET 技术和未来GAAFETs的原理。我们不仅讨论了摩尔定律的现状，更深入探究了异构计算单元（如SIMD、AVX-512单元）的设计哲学及其在特定计算任务中的应用。 2. 指令集架构（ISA）的战争与融合： 本章将集中比较x86-64与ARMv9架构的核心差异。重点分析复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC）的设计哲学对编译器优化和能效比的影响。读者将学习如何通过阅读汇编代码，直接洞察编译器对高级语言（如C++）生成的机器码的意图。特别地，我们将解析微操作（Micro-ops）的解码过程，以及乱序执行（Out-of-Order Execution）引擎如何通过重排序缓冲区（Reorder Buffer）和保留站（Reservation Station）最大化指令并行性。 3. 内存层次结构与延迟的代价： 缓存（Cache）是现代CPU性能的命脉。本书详细描绘了L1、L2、L3缓存的组织结构（组相联、直写/回写策略），并引入了“缓存一致性协议”（如MESI协议）的工作细节。我们量化了从寄存器访问到主内存（DRAM）访问之间，跨越数个数量级的延迟差异，并解释了“缓存未命中”是如何成为性能下降的首要原因。 --- 第二部分：系统内存管理与虚拟化技术 (约 450 字) 软件的自由运行空间——内存——并非是物理的无限延伸，而是操作系统精心编排的幻觉。本部分致力于揭示这一幻觉背后的复杂机制。 1. 虚拟内存与分页机制： 我们将从页表（Page Table）的多级结构入手，详细阐述操作系统如何为每个进程创建独立的、受保护的地址空间。内容包括TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理、缺页中断（Page Fault）的发生与处理流程，以及操作系统如何调度页的置换算法（如Clock或LRU的近似实现）。 2. 物理内存的分配与回收： 探讨内核如何管理物理页框（Page Frame）。介绍 Slab 分配器、Buddy System 等内核级的内存管理算法，这些是系统稳定运行的关键。分析内存碎片化问题，并提供诊断和缓解策略。 3. 现代虚拟化层的构建： 深入研究硬件辅助虚拟化技术（如Intel VT-x或AMD-V）。重点解析特权级的转换、影子页表（Shadow Page Tables）或EPT（Extended Page Tables）如何最小化Hypervisor的介入次数，从而保证虚拟机（VM）的性能接近裸机。理解嵌套虚拟化（Nested Virtualization）中的挑战与优化路径。 4. 内存屏障与并发控制的底层依赖： 讨论内存模型（Memory Model）在不同架构下的差异。解释`volatile`关键字在底层语境下的真正含义，以及`FENCE`指令或特定内存屏障如何保证多核环境下数据可见性和操作顺序，这是实现无锁数据结构的基础。 --- 第三部分：I/O、中断处理与系统调用路径 (约 400 字) 系统与外部世界的交互，以及用户态与内核态的切换，是安全性和效率平衡的关键点。 1. 中断与异常处理流程： 详细描绘硬件中断信号（IRQ）如何通过中断控制器（如APIC）到达CPU，触发中断描述符表（IDT）的查找，最终将控制权转移至内核。分析上下文切换（Context Switching）的开销，以及中断延迟的量化分析。 2. 块设备I/O的优化： 摆脱简单的文件读写概念，我们深入研究块设备的驱动层。讲解I/O调度器（如Deadline、CFQ、BFQ）的工作原理，分析电梯算法在机械硬盘和固态硬盘（SSD）上的适用性差异。特别关注现代NVMe协议栈的低延迟特性。 3. 系统调用（Syscall）的性能瓶颈： 系统调用是用户程序访问内核资源的唯一合法途径。本章会精确测量和分析一次系统调用的完整生命周期：从用户栈到内核栈的切换、参数的传递验证、内核执行，再到权限返回。探讨如何通过内存映射（mmap）等技术来规避高开销的系统调用。 4. 零拷贝（Zero-Copy）技术实践： 介绍 DMA（直接内存访问）在加速网络和文件传输中的作用，以及如何通过 `sendfile()` 或 `splice()` 等接口，避免数据在用户空间和内核空间之间的冗余复制，实现极致的I/O效率。 --- 第四部分：现代操作系统内核的结构与调试 (约 250 字) 本部分将带领读者窥探Linux（作为主流内核代表）的核心设计哲学，并提供实际的诊断工具和方法。 1. 内核的同步机制与锁原语： 分析内核中使用的各种同步工具，如自旋锁（Spinlocks）、信号量（Semaphores）和读写信号量。重点讨论在多核系统中，如何正确使用它们以避免死锁和竞态条件，同时最小化对CPU时间片资源的占用。 2. 进程调度器的深入剖析： 以CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器）为例，讲解其基于红黑树的数据结构如何实现“虚拟运行时”（vruntime）的概念，确保CPU时间的公平分配。分析实时进程（Real-time processes）的调度优先级和抢占策略。 3. 系统性能的诊断与追踪： 介绍和应用专业工具，如`perf`（用于硬件性能计数器分析）、`ftrace`（用于内核函数追踪）和`eBPF`（用于动态、非侵入式地探查内核行为）。学习如何根据工具输出的原始数据，定位到具体的CPU周期浪费点，从而指导底层代码优化。 结论： 本书不是一本操作软件界面的指南，而是探究计算“为什么”和“如何”高效工作的蓝图。掌握这些底层知识，将使读者能够超越应用层面的限制，构建出真正具有韧性和高性能的计算解决方案。

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