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☆☆☆☆☆

出版者:Prentice Hall

作者:Barry B. Brey

出品人:

页数:944

译者:

出版时间:2008-6-28

价格:USD 172.60

装帧:Paperback

isbn号码:9780135026458

丛书系列:

图书标签:

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探索数字世界的基石：一部深度解析现代计算架构的著作 书名：数字逻辑与微机原理的交汇点：从晶体管到操作系统的宏伟蓝图 作者：[虚构作者姓名 A. N. 架构师] 出版年份：[虚构年份] --- 内容提要： 本书并非聚焦于某一个特定的商业化微处理器系列，而是旨在构建一个全面、深入且高度抽象化的框架，用以理解现代数字计算机系统的核心构建块和运行机制。我们抛开了特定品牌或代的市场驱动因素，转而深入探究驱动所有现代计算设备的底层物理原理、逻辑构造和系统级软件交互。 本书结构分为四个主要部分：“基础物理与布尔代数重构”、“核心计算单元的设计哲学”、“内存层次结构与数据流管理”，以及“系统级抽象与编程模型”。 第一部分：基础物理与布尔代数重构 (The Genesis of Computation) 本章首先从最基础的半导体物理学原理出发，但迅速过渡到信息论和逻辑学的层面。我们详细探讨了晶体管（MOSFETs）如何从一个物理开关转变为一个可靠的逻辑门，并追溯了冯·诺依曼结构提出至今，数字逻辑门（NAND, NOR, XOR等）在不同工艺节点下的能耗、延迟和密度演进的内在矛盾与权衡。 晶体管的极限： 深入分析了沟道长度调制、亚阈值泄漏电流对低功耗设计构成的挑战，以及新兴的FD-SOI和FinFET等结构如何试图解决这些物理瓶颈。 布尔代数的实现： 详尽解析了组合逻辑电路（如加法器、多路选择器）和时序逻辑电路（如锁存器、触发器）的设计细节，重点讨论了竞争条件（Hazards）的消除和时钟偏移（Skew）的影响。 同步与异步设计： 对比了同步时钟系统与完全异步系统（如自定时电路）的设计哲学和优缺点，强调了时序分析在确保系统稳定运行中的核心地位。 第二部分：核心计算单元的设计哲学 (The Arithmetic and Logic Engine) 这一部分是全书的核心，它关注于构建执行指令的“心脏”。本书不关注特定的x86或ARM指令集，而是侧重于指令集架构（ISA）的设计原则和中央处理单元（CPU）的微架构实现。 指令集架构的权衡： 深入剖析精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）的设计理念差异，探讨了指令的编码效率、寻址模式的复杂性以及编译器优化的空间。我们构建了一个假想的、具有通用性的RISC-V风格的ISA模型进行后续的微架构分析。 流水线与超标量实现： 详细分解了指令流水线（Instruction Pipeline）的阶段划分，包括取指、译码、执行、访存和写回。重点讨论了流水线冒险（结构、数据、控制冒险）的检测与处理机制，包括转发（Forwarding/Bypassing）和分支预测（Branch Prediction）的复杂算法，如两级条件预测器和返回地址栈（RAS）。 数据通路与ALU设计： 探讨了高性能算术逻辑单元（ALU）的设计，包括乘法器的不同实现（阵列乘法器、Booth算法），以及浮点运算单元（FPU）遵循IEEE 754标准的实现细节和精度保障。 第三部分：内存层次结构与数据流管理 (The Data Orchestration) 计算速度的提升往往受限于数据获取的速度。本部分系统地阐述了现代处理器如何通过复杂的内存层次结构来隐藏访存延迟。 缓存的理论与实践： 深入解析了L1、L2、L3缓存的结构，包括映射策略（直接映射、全相联、组相联）和替换策略（LRU、随机、先进先出）。更重要的是，讨论了多级缓存之间的一致性协议，如MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）协议的运作机制及其在多核系统中的扩展。 虚拟内存与地址转换： 详细阐述了操作系统如何通过页表（Page Tables）和转换后援缓冲器（TLB）机制，将虚拟地址映射到物理地址的过程。我们分析了TLB未命中时的开销以及操作系统如何管理页表结构以提高效率。 数据预取与缓存污染： 探讨了硬件预取器如何通过推测性地将数据加载到缓存中来优化性能，并分析了不当预取可能导致的缓存污染问题。 第四部分：系统级抽象与编程模型 (The System Interface) 计算的最终价值体现在它如何与软件和外部世界交互。本部分超越了纯粹的硬件范畴，探讨了硬件如何通过接口与操作系统和应用软件协同工作。 中断与异常处理机制： 详述了处理器如何响应外部硬件中断（IRQ）和内部异常（如除零、页错误），以及上下文切换（Context Switching）的硬件支持，包括特权级（Privilege Levels）的划分和状态寄存器的保存。 I/O与总线结构： 分析了处理器与外部设备（如存储器、网络接口卡）之间的数据交换协议。重点讨论了DMA（直接内存访问）如何允许设备绕过CPU进行数据传输，从而提高系统吞吐量。我们对比了共享总线架构与点对点（NoC）互连的优劣。 并行计算模型： 在多核处理器背景下，本书探讨了同步原语（如原子操作、内存屏障）的硬件实现基础，确保软件层面可以正确地构建并发程序。讨论了SIMD（单指令多数据）扩展的架构原理及其在向量化计算中的作用。 --- 本书的独特价值： 本书避免了对特定商业产品线的技术规格罗列，而是专注于“为什么”和“如何构建”。它为读者提供了一种跨越不同处理器世代和架构范式的通用知识体系。无论是硬件工程师、系统程序员，还是对计算机底层原理有深刻好奇心的学习者，都能通过本书建立起一个坚实、全面的数字计算模型，理解从硅片上的电子流动到复杂操作系统运行之间的所有关键抽象层次和工程权衡。它提供的不是一份“使用手册”，而是一张构建任何高性能数字计算引擎的“设计蓝图”。

评分☆☆☆☆☆

这本非常适合汇编程序员和需要进行硬件编程的人（PCI,总线，USB）等等。我在图书馆读了 一半。总结如下 优点： 1）一上来就讲了保护模式和真实模式。而其他类似的书一般都是到中间才讲。 2）很详细地解释了汇编语言的命令机制。尤其解释了他们如何执行；数据如何从内存到寄存器...

评分☆☆☆☆☆

这本非常适合汇编程序员和需要进行硬件编程的人（PCI,总线，USB）等等。我在图书馆读了 一半。总结如下 优点： 1）一上来就讲了保护模式和真实模式。而其他类似的书一般都是到中间才讲。 2）很详细地解释了汇编语言的命令机制。尤其解释了他们如何执行；数据如何从内存到寄存器...

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评分☆☆☆☆☆

这本书简直是打开了我对计算机底层运行机制的全新大门。我之前总觉得处理器是个神秘的黑匣子，只有最顶尖的工程师才懂其中的奥秘。然而，这本书以一种极其清晰、层层递进的方式，将那些晦涩难懂的指令集架构、流水线技术、缓存一致性等概念，用生动易懂的语言和丰富的图例展现出来。作者显然花费了巨大的心力去理解初学者的困惑点，每一个章节的衔接都自然流畅，仿佛有一位耐心的导师在身边手把手地引导。特别是对于早期 x86 架构的演变历史梳理，那种带着历史厚重感的叙述，让我不仅仅是在学习技术规范，更是在回顾整个半导体工业的波澜壮阔的发展史。读完关于内存管理和保护模式的那部分，我终于明白了操作系统是如何安全地在多个进程间分配资源，那种豁然开朗的感觉，实在难以言表。这本书的深度和广度兼顾得恰到好处，既能满足深入研究的需要，也能让计算机科学专业的本科生扎实掌握基础。对于任何想要真正理解现代计算核心的人来说，这本著作是不可或缺的工具书。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的学术严谨度简直是教科书级别的典范。它对于指令集编码、操作数的解析，以及时序图的绘制，都达到了极高的精度。如果你是那种对技术细节有着偏执追求的工程师或者高级爱好者，那么这本书将是你的福音。它不像市面上很多流行的快餐式技术读物那样追求速度和时髦，而是沉下心来，用最扎实的方式去构建知识的基石。我记得在深入研究向量指令扩展（SIMD）的部分时，作者对寄存器宽度和数据打包方式的描述，精确到连最低位的填充规则都考虑进去了。这种对细节的极致追求，确保了书中的内容具有极长的生命周期，并且能够直接应用于实际的底层代码编写和编译器优化中。对我个人而言，它提供了一个坚不可摧的参考框架，每当我在处理一些边缘情况的程序错误时，翻开这本书，总能找到权威的解释。这是一部需要反复阅读，每次都能发现新东西的经典著作。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最深刻的印象是它对“演进”这个主题的把握。它没有将各个代的处理器视为孤立的存在，而是清晰地勾勒出从8位到32位，再到64位架构的血脉传承。这种历史的连续性在技术书籍中是很难得的。作者非常善于捕捉那些决定性的技术飞跃点，比如引入特权级别、改变寻址模式，以及现代处理器如何通过激进的乱序执行和分支预测来对抗冯·诺依曼瓶颈。我特别欣赏它在讨论性能提升时，所采用的对比分析方法。它不会简单地说“新一代更快”，而是会详细对比不同代产品在特定计算模型下的效率差异，这使得读者能够真正理解技术创新的价值所在。虽然内容非常专业，但编排上却充满了对读者体验的关怀，大量的脚注和交叉引用使得知识点的追溯变得极其方便。读完之后，我感觉自己看待任何现代CPU的基准测试报告时，都有了一种“知其所以然”的底气，不再是盲目相信数字，而是能从架构层面去判断其合理性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验堪称一次深度的、富有启发的“考古之旅”。它不仅教授了微处理器的工作原理，更像是在解剖一个复杂的工程奇迹。我最欣赏它在介绍复杂功能（比如虚拟化支持或多核缓存同步）时，总是先从最基础的、最原始的硬件组件开始构建概念模型。这种自底向上的教学法，极大地降低了理解高层抽象的难度。它对不同内存模型下的可见性保证的探讨，让我对并发编程的理解提升到了一个新的高度——原来很多看似是软件层面的同步问题，根源上还是由硬件的缓存一致性协议所决定的。书中的插图质量极高，尤其是那些关于总线仲裁和异常向量表的逻辑图，清晰到可以作为教学挂图使用。对于那些希望从“使用者”转变为“设计者”思维模式的读者来说，这本书提供了一个不可替代的蓝图。它不仅仅是一本关于“芯片”的书，它是一本关于“计算逻辑如何固化为硅片”的百科全书。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我抱着一种“查漏补缺”的心态翻开这本厚厚的书的，没想到却被其严谨的学术态度和详尽的案例分析深深折服。它的结构安排非常巧妙，不像有些技术手册那样干巴巴地堆砌数据手册的条文，而是以解决实际工程问题为导向来组织内容的。举个例子，讲解中断处理和异常机制时，它不仅仅停留在理论层面，还深入探讨了在不同工作模式下，硬件和软件如何协同工作来保证系统的可靠性，甚至涉及到了实时系统对延迟的要求。这种对“为什么”的深入挖掘，远超出了我对一本“微处理器”教科书的预期。阅读过程中，我发现自己必须放慢速度，时不时地停下来，对照着自己搭建的虚拟环境进行验证。它对寄存器组、状态标志位这些基础但至关重要的元素的描述，精准到令人发指，没有一丝模糊地带，这对于进行底层调试和系统优化工作的人来说，简直是如获至宝。这本书与其说是在介绍一个产品系列，不如说是在构建一个关于计算哲学的完整知识体系。

评分☆☆☆☆☆

以前一直学语言的时候不明就里的背语法，指针地址引用几个概念总是分不开来，对底层知识了解更多才能更快的吸收新的知识。其实硬件在发展的过程中也是一样，从开始以最简单的方式去实现，然后在那个基础上一点点堆加起来，从开始的8位到16位到现在64位，从实模式到保护模式。要让每一次设计都能实在的有用，可扩展，在软件上也是一样的。

评分☆☆☆☆☆

以前一直学语言的时候不明就里的背语法，指针地址引用几个概念总是分不开来，对底层知识了解更多才能更快的吸收新的知识。其实硬件在发展的过程中也是一样，从开始以最简单的方式去实现，然后在那个基础上一点点堆加起来，从开始的8位到16位到现在64位，从实模式到保护模式。要让每一次设计都能实在的有用，可扩展，在软件上也是一样的。

评分☆☆☆☆☆

微机课程教材。

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微机课程教材。

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