软件工程方法与实训 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:234

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出版时间:2010-5

价格:23.00元

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isbn号码:9787040287981

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• 软件工程
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• 课程

软件工程方法与实训（不含此书内容）图书简介 书名：现代计算机系统结构与优化 作者：王建国 教授，李明 博士 出版社：电子工业出版社 --- 内容简介：深入理解与高效能实践的桥梁 《现代计算机系统结构与优化》是一本面向计算机科学、软件工程、信息安全以及相关交叉学科领域高年级本科生、研究生以及专业工程师的深度技术专著。本书旨在构建一座坚实的理论知识与前沿实践之间的桥梁，系统、全面地阐述当代高性能计算系统的核心原理、设计哲学、关键技术以及面向特定任务的优化策略。 本书的编写严格遵循“从底层硬件到上层应用”的递进逻辑，力求在复杂性与可理解性之间取得最佳平衡。全书共分为六大部分，二十章内容，约计七十余万字，构建了一个完整的现代计算机系统知识体系。 --- 第一部分：计算基础与冯·诺依曼的遗产（深入解析硬件的根基） 本部分着重回顾和深化读者对计算机基础理论的理解，特别是如何将经典理论应用于现代复杂系统中。 第一章：计算模型与复杂性理论的现代诠释 本章超越了图灵机和有限自动机的经典定义，重点讨论了并行计算模型（如PRAM、BSP模型）在多核和众核架构下的适用性、局限性及其对算法设计的影响。深入分析了NP-完全问题的实际工程意义，并探讨了量子计算模型作为未来范式的初步概念。 第二章：指令集架构（ISA）的演进与差异化设计 详尽比较了主流的CISC（如x86-64）与RISC（如ARM、RISC-V）架构的设计哲学、优势与劣势。重点剖析了指令集扩展（如SIMD、AVX、Neon）如何服务于高性能计算和机器学习负载。本章还包含了RISC-V生态系统的发展现状及其对未来系统设计的影响。 第三章：存储器的层次结构与延迟/带宽的博弈 本章是系统性能的关键瓶颈所在。我们细致分析了从寄存器、多级Cache（L1/L2/L3的组织、替换策略、写分配/写穿透）到主存（DRAM技术如DDR5、HBM）的物理实现细节。特别关注了跨层级的缓存一致性协议（如MESI、MOESI）在多处理器环境下的开销与管理。 --- 第二部分：并行性与多核处理器的设计（突破单核性能极限） 随着摩尔定律的放缓，并行化成为提升计算能力的主要途径。本部分是本书的重中之重。 第四章：指令级并行（ILP）与超标量流水线 深入探讨了乱序执行（OoOE）、分支预测技术（如TAGE预测器）的内部机制。通过对不同代际微架构（如Intel Core系列、AMD Zen系列）的微结构分析，揭示了现代CPU如何通过复杂的硬件逻辑最大化单核的吞吐率。 第五章：线程级并行（TLP）与对称多处理（SMP） 详细讲解了同步与互斥机制的硬件支持，包括内存屏障（Memory Barriers）的语义学和实现。重点分析了片上多核CPU的设计挑战，如片上网络（NoC）的拓扑结构、仲裁机制及其对缓存一致性协议的影响。 第六章：众核架构与GPU的计算模型 本章对比了CPU与GPU在设计目标上的根本差异。深入剖析了NVIDIA CUDA/AMD ROCm的编程模型（线程块、warp/wavefront）、内存模型（全局内存、共享内存、寄存器文件）以及内存合并（Coalescing）的优化技巧。讨论了异构计算系统的编程挑战与软件栈支持。 --- 第三部分：系统级性能分析与度量（数据驱动的优化） 理论必须接受实践的检验。本部分提供了科学地评估和诊断系统性能的工具和方法论。 第七章：性能分析的基本概念与指标体系 定义了吞吐量、延迟、效率、利用率、IPC（每周期指令数）等核心指标。讲解了如何区分“计算密集型”与“I/O密集型”任务的特征，并建立了性能瓶颈分析的“Amdahl定律”与“Gustafson定律”的现代应用框架。 第八章：硬件性能计数器与低级分析工具 详细介绍了使用Linux `perf`工具套件进行事件采样、硬件性能计数器（PMC）读取的方法。通过实战案例，演示如何通过分析缓存失效率、分支预测失误率、TLB未命中率来定位代码中的性能热点。 第九章：系统级跟踪与可视化 探讨了动态二进制插桩技术（如Pin、DynamoRIO）在性能剖析中的应用。介绍了基于跟踪的性能分析（Trace-based analysis）如何帮助理解复杂系统的交互过程，特别是系统调用和上下文切换的开销评估。 --- 第四部分：内存系统与数据布局优化（提高数据访问效率） 数据访问延迟往往是现代应用性能的决定性因素。本部分专注于数据如何在内存层次结构中流动和组织。 第十章：现代内存管理单元（MMU）与虚拟内存 深入解析了MMU如何实现地址翻译（页表结构、TLB的工作原理），以及操作系统如何管理内存保护和共享。讨论了巨大页（Huge Pages）在高性能计算中的优势及配置要点。 第十一章：缓存友好性与数据对齐 讲解了结构体填充（Padding）、数组的行列优先存储顺序选择对Cache Line利用率的影响。提供了针对性代码重构的原则，以实现更好的空间局部性和时间局部性。 第十二章：非易失性内存（NVM）与持久性存储技术 介绍了Intel Optane等新型持久性内存技术的工作原理、编程模型（如PMDK）以及与传统DRAM的协同工作策略，探讨了如何利用NVM的字节寻址能力进行新型数据结构设计。 --- 第五部分：I/O系统与分布式计算（连接世界的通道） 系统性能不仅取决于CPU，也高度依赖于数据输入输出的速度和网络通信的效率。 第十三章：高效能I/O技术栈 对比了传统中断驱动I/O、DMA（直接内存访问）的工作流程。重点分析了现代I/O框架，如io_uring在Linux内核中的革命性改进，如何大幅降低上下文切换和数据拷贝的开销。 第十四章：存储系统接口与协议 详述了SSD（固态硬盘）内部的NAND闪存原理、磨损均衡（Wear Leveling）机制，以及NVMe协议如何提供低延迟的访问路径。对比了传统SATA/SAS接口与NVMe的性能差异。 第十五章：计算机网络基础与高性能网络 复习了TCP/IP协议栈，但重点转向了高性能场景。深入讲解了RDMA（远程直接内存访问）技术（如InfiniBand, RoCE）如何绕过操作系统内核，实现零拷贝（Zero-Copy）的数据传输，及其在集群计算中的核心作用。 --- 第六部分：系统仿真、虚拟化与安全硬件支持（面向未来的挑战） 本部分展望了系统架构的前沿方向，包括如何进行系统设计验证以及如何应对日益严峻的安全威胁。 第十六章：系统级仿真与建模 介绍了Gem5、Sniper等系统级模拟器的工作原理。讲解了如何使用抽象模型快速评估不同硬件参数（如Cache大小、流水线深度）对整体系统性能的预期影响，为硬件/软件协同设计提供依据。 第十七章：硬件虚拟化与容器技术 阐述了硬件辅助虚拟化（VT-x/AMD-V）的机制，包括影子页表（Shadow Page Tables）和EPT/RVI。对比了Hypervisor（Type 1/Type 2）的工作方式，并讨论了KVM与Docker/Kubernetes在资源隔离和性能开销上的权衡。 第十八章：安全体系结构与侧信道攻击 从硬件层面探讨了安全机制，包括可信执行环境（TEE，如Intel SGX）的设计原理和编程模型。重点分析了Spectre/Meltdown等利用指令重排和缓存侧信道进行攻击的原理，以及现代微架构为缓解这些漏洞所做的硬件增强。 第十九章：能效比（Performance per Watt）的优化策略 在移动计算和数据中心领域，能耗控制至关重要。本章探讨了动态电压与频率调节（DVFS）、功耗门控（Power Gating）等技术，以及软件如何通过工作负载调度来最大化系统的能效比。 第二十章：新兴计算范式：存内计算与类脑计算 作为对未来的展望，本章简要介绍了正在研究中的颠覆性技术，如Processing-in-Memory (PIM) 和模拟/脉冲神经网络硬件的系统级挑战与机遇。 --- 目标读者与学习价值 本书的深度和广度超越了传统教材，适合于： 1. 研究生阶段深入研究人员： 为其提供前沿技术和研究方向的理论基础和工具。 2. 系统软件工程师与编译器开发者： 帮助他们理解底层硬件的限制与能力，从而设计出更高效的代码生成和优化策略。 3. 高性能计算（HPC）架构师： 提供构建和调优大型集群系统的必备知识，特别是在并行编程模型和网络通信方面。 通过本书的学习，读者不仅将掌握“是什么”和“为什么”，更能掌握“如何做”和“如何改进”，真正成为能够驾驭现代复杂计算系统的专家。

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