普通高等教育"十一五"國傢級規劃教材 pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026

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頁數:153

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出版時間:2009-1

價格:18.00元

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isbn號碼:9787502629229

叢書系列:

圖書標籤:

• 規劃教材
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• 大學教材
• 專業課程
• 教育教學
• 十一五
• 普通高等教育

《深入理解計算機係統：從硬件到軟件的全麵解析》 圖書簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且與時俱進的計算機係統知識圖景。我們摒棄瞭對單一技術點做膚淺介紹的傳統做法，轉而采用一種係統性、集成化的視角，將硬件、操作係統、體係結構、編譯器、網絡等核心組件有機地聯係起來，揭示它們是如何協同工作，共同構建起我們日常使用的計算環境的。本書的結構設計，遵循著從“底層物理實現”到“高層軟件抽象”的邏輯遞進路綫，確保讀者能夠建立起紮實的、自下而上的理解框架。 第一部分：基礎架構與數據錶示 本部分將讀者帶入計算機係統的基石——信息的物理錶示與邏輯組織層麵。我們首先探討數字邏輯與布爾代數的基礎，如何通過晶體管構建齣最基本的邏輯門，進而形成加法器、多路復用器等核心組閤邏輯電路。隨後，深入數據錶示的細節，涵蓋整數（補碼、溢齣分析）、浮點數（IEEE 754標準，精度損失的成因與影響）、字符編碼（ASCII到Unicode的演進）。 重點章節會詳細解析中央處理器（CPU）的體係結構。這包括指令集架構（ISA）的設計哲學，如精簡指令集（RISC）與復雜指令集（CISC）的權衡。我們將細緻剖析數據通路的設計，從指令獲取、解碼、執行到寫迴的全過程。流水綫技術是本部分的核心難點，我們將深入探討如何通過指令級並行（ILP）提高吞吐量，以及必須處理的冒險（數據冒險、控製冒險）和相應的解決方案（轉發、分支預測）。對於現代處理器中至關重要的存儲器層次結構，本書將進行詳盡論述，從SRAM到DRAM的差異，再到CPU內部的L1、L2、L3緩存的工作機製，重點分析緩存的命中率、塊置換策略（LRU等）以及對程序性能的關鍵影響。 第二部分：程序編譯與連接 本部分聚焦於如何將人類可讀的高級語言代碼轉化為機器可執行的二進製指令，以及這些程序如何在係統中被加載和運行。 首先，我們係統地梳理編譯過程的各個階段：詞法分析、語法分析、語義分析、代碼優化和代碼生成。特彆關注中間錶示（IR）的設計及其在不同優化階段中的作用。本書會選取一個具體的、現代的編譯器框架作為案例（但不局限於任何特定商業編譯器），展示如常量摺疊、循環展開、死代碼消除等經典優化技術是如何應用的，以及它們如何影響最終代碼的效率。 接著，轉嚮鏈接與加載。我們將區分靜態鏈接和動態鏈接的原理與區彆。對於動態鏈接，深入探討共享對象（Shared Objects）的工作機製、GOT（Global Offset Table）和PLT（Procedure Linkage Table）如何實現延遲綁定和位置無關代碼（PIC），這是理解現代操作係統中模塊化編程和內存共享的關鍵。程序加載器（Loader）的工作，包括內存空間的布局（代碼段、數據段、堆、棧的劃分）也將被清晰地描繪齣來。 第三部分：操作係統內核服務與抽象 本部分是理解係統抽象層的關鍵，聚焦於操作係統如何管理硬件資源並為應用程序提供安全、可靠的執行環境。 進程與綫程是核心概念。我們將深入探討進程的創建、銷毀、上下文切換的開銷與機製。綫程模型（用戶級與內核級）的對比，以及多綫程編程中同步與互斥的必要性。 虛擬內存機製將得到最深入的講解。我們不僅解釋頁錶（Page Table）的結構，更要剖析缺頁中斷（Page Fault）的處理流程，以及操作係統如何實現地址翻譯（TLB的作用至關重要）。內存保護、內存共享的實現原理，以及操作係統的內存分配策略（如夥伴係統、slab分配器）都會被詳細闡述。 並發與同步是確保正確性的基石。本書將係統地介紹同步屏障、信號量、互斥鎖（Mutexes）、條件變量等經典工具，同時結閤實際案例分析死鎖的産生條件、檢測與避免策略。 I/O係統與設備驅動：我們將係統地介紹I/O的抽象層（如文件係統接口），然後深入到設備驅動層的運作。中斷處理機製、DMA（直接內存訪問）如何減輕CPU負擔，是理解高性能I/O的關鍵。 第四部分：高性能I/O與網絡基礎 現代計算嚴重依賴網絡通信。本部分將計算機係統與網絡環境連接起來。 首先，我們將從係統調用接口的角度審視I/O操作，包括`read()`和`write()`的底層語義。隨後，我們將進入網絡編程的核心，從TCP/IP協議棧的層次結構入手，詳細解析IP尋址、路由、TCP的可靠數據傳輸（序列號、確認、超時重傳）、擁塞控製（慢啓動、競爭窗口）的算法。 在係統層麵，我們將探討I/O多路復用技術（如select, poll, epoll）的設計思想，它們如何幫助單個進程高效地處理大量並發網絡連接，並將其與操作係統內核的事件驅動模型相結閤。 第五部分：性能分析與優化 本書的最終目標是指導讀者編寫齣既正確又高效的代碼。本部分側重於實踐。 我們將介紹性能測量工具的使用方法，如性能計數器（Hardware Performance Counters）和係統級分析器（如perf）。如何正確地解讀火焰圖（Flame Graphs），識彆程序的熱點（Hotspots）。 在應用層麵，我們將探討數據布局優化對緩存的影響（空間局部性與時間局部性），如何通過結構體對齊、填充（Padding）來最大化緩存效率。對於多核編程，除瞭同步問題，我們還將討論負載均衡、僞共享（False Sharing）對性能的隱性影響，以及嚮量化指令（SIMD）的使用潛力。 總結 本書的特色在於其“係統性思維”的培養。它不是一本孤立講解操作係統的教科書，也不是一本單純介紹匯編語言的參考手冊。它緻力於構建一個統一的框架，讓讀者明白：一個簡單的C語言賦值語句是如何經過編譯器、鏈接器，最終在處理器上執行，並與操作係統內核的內存管理和I/O子係統交互的完整路徑。通過深入理解這些底層機製，讀者將能設計齣更健壯、更易於調試、且具有卓越性能的軟件。本書適閤具有一定C/C++編程基礎，希望深入瞭解計算機“為什麼”以及“如何”工作的工科學生、軟件工程師及係統架構師閱讀。

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