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出版者:第1版 (2003年1月1日)

作者:高辉

出品人:

页数:205

译者:

出版时间:2003-7

价格:17.0

装帧:平装

isbn号码:9787302068198

丛书系列:

图书标签:

• 计算机系统结构
• 考研
• 复习
• 应试
• 汇编
• Cache
• 存储系统
• 流水线
• 指令集
• 计算机组成原理

图书简介：深度解析现代计算的基石 书名：《计算的本质：从晶体管到并行计算的演进》 内容概述： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，剖析现代计算机系统从最底层的物理实现到复杂软件架构之间的桥梁。我们不局限于单一的指令集架构或特定处理器的分析，而是着眼于计算领域中那些跨越时间、技术范式的核心原理与设计哲学。全书结构严谨，逻辑清晰，适合作为计算机科学专业高年级学生、研究生以及希望系统性了解底层硬件如何驱动上层应用的资深工程师的参考读物。 第一部分：计算的物理基础与抽象层次 本部分首先追溯了计算历史的脉络，从早期的机械计算设备，到电子管、晶体管的发明，直至超大规模集成电路（VLSI）的成熟。重点探讨了半导体物理学如何催生了CMOS技术，以及这些技术如何定义了现代处理器设计的物理极限。 随后，我们深入探讨了信息表示的根本原理。这包括如何用二进制来编码数据、指令和控制信号。我们详细分析了逻辑门电路的设计、组合逻辑与时序逻辑的构建，以及如何利用这些基本元素实现加法器、乘法器等算术逻辑单元（ALU）。这部分内容强调了布尔代数在硬件设计中的核心地位。 接着，本书引入了指令集架构（ISA）的概念，但侧重点在于理解不同ISA（如CISC与RISC的哲学差异）背后驱动的设计权衡，例如代码密度、功耗效率和实现复杂度。我们详细解析了数据通路、控制单元的设计，以及微操作的实现机制，为后续理解指令的执行流程奠定坚实基础。 第二部分：单处理器性能的提升与瓶颈 性能的提升是计算机体系结构发展的核心驱动力。本部分聚焦于单个处理器核心在面对冯·诺依曼瓶颈时所采取的各种先进技术。 指令级并行性（ILP）是核心议题。我们详尽阐述了流水线技术的工作原理，包括冒险（Hazard）的识别与解决策略（如转发和分支预测）。在此基础上，本书深入探讨了更深层次的并行技术，如超标量（Superscalar）设计、动态调度、乱序执行（Out-of-Order Execution）的复杂性，以及指令级并行与编译器的协同优化。 内存系统作为系统性能的另一大瓶颈，被单独设立专章进行深入剖析。我们详细分析了存储器层次结构的理论基础，包括局部性原理（时间局部性和空间局部性）。缓存的设计是重中之重，涵盖了直接映射、组相联、全相联的组织方式，写策略（写直通、写回），以及多级缓存一致性的挑战。此外，虚拟内存系统、TLB（转换后援缓冲器）的工作机制，以及它们如何为操作系统提供内存保护和地址映射，也进行了详尽的数学建模与性能分析。 第三部分：跨越单核的藩篱——并行计算与多处理器系统 随着摩尔定律的放缓，单纯提高时钟频率的时代结束，并行性成为提升系统吞吐量的主要途径。本部分系统地介绍了并行计算的范式和实现。 我们首先区分了指令级并行与数据级并行（DLP）和线程级并行（TLP）。数据级并行通过SIMD（单指令多数据）扩展来实现，本书分析了其在多媒体和科学计算中的应用。 随后，进入多处理器系统的主题。我们详细对比了共享内存多处理器（SMP）和大规模并行处理（MPP）的架构异同。在SMP系统中，缓存一致性协议是设计的关键和难点。本书以MOESI协议为例，详细阐述了如何通过监听（Snooping）或目录（Directory-based）机制来维护跨核数据的一致性，并分析了延迟、带宽和同步开销之间的复杂权衡。 第四部分：异构计算与未来趋势 现代计算环境日益多样化，本部分聚焦于适应特定任务的专业化硬件和新兴技术。 本书深入探讨了GPU（图形处理器）的通用计算潜力（GPGPU）。我们剖析了GPU的SIMT（单指令多线程）架构，它与传统CPU的根本区别在于对吞吐量和延迟的不同侧重。线程束（Warp/Wavefront）的调度机制、对内存访问模式的敏感性，以及其在深度学习训练和高性能计算中的作用，都得到了详尽的阐述。 此外，我们也考察了专用加速器的发展，如FPGA（现场可编程门阵列）在可重构计算中的角色，以及针对特定算法（如神经网络、密码学）优化的ASIC设计思路。 最后，本书展望了后摩尔时代的挑战与机遇，包括新型存储技术（如MRAM、RRAM）的潜力、光互连技术的引入，以及量子计算的理论基础与当前硬件实现的进展，旨在拓宽读者的视野，理解计算结构演进的方向。 本书特色： 本书的叙述风格旨在提供工程实践的深度和理论分析的严谨性。它并非仅仅介绍“是什么”，更侧重于解释“为什么是这样设计”以及“如何设计才能达到特定性能目标”。书中包含了大量经典案例分析，对指令集、微架构的性能瓶颈进行了量化的建模和推导，强调了软件（编译器、操作系统）与硬件设计之间的协同优化，为读者构建一个完整且动态的计算机系统视图。

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这本书在辅助学习工具方面的设计，简直是为应试者量身定做的“秘密武器”。我指的是它在每章末尾设置的那些精心设计的复习环节和自我检测题。这些题目绝非简单的选择填空，它们大多是开放式的、需要综合运用本章知识点来构建论述的题目，非常贴合实际考试的风格。更妙的是，它提供的参考答案和解析非常详尽，不仅指出了正确答案，更重要的是，它会详细分析为什么其他选项是错误的，以及在回答这类问题时应该注意哪些潜在的陷阱。这种带有“反向工程”意味的解析，极大地帮助我识别了自己的知识盲区和思考误区，使得复习效率提升了不止一个档次。这套题库的质量，完全可以媲美很多单独发售的习题集。

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这本书的内容组织逻辑性极强，完全是按照一个循序渐进的学习路径来构建的。从最基础的概念铺垫，到中间复杂的体系结构分析，再到最后对前沿技术的热点追踪，层层递进，毫不拖沓。作者似乎非常清楚我们学习者在不同阶段可能遇到的困惑点，总能在关键的地方设置清晰的过渡和总结。比如，在讲解缓存一致性协议时，它不是简单地罗列协议的条文，而是通过生动的案例和流程图，将抽象的硬件交互过程可视化，让人茅塞顿开。这种编排方式极大地降低了理解难度，即使是初次接触复杂结构的学生，也能比较顺畅地跟上节奏。而且，章节之间的衔接非常自然，读完前一章的内容，会很期待下一章将要探讨的深入主题，形成一种良好的阅读惯性。

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作为一名在职备考者，时间对我来说是极其宝贵的资源，这本书的“精准打击”特性深得我心。它没有冗余的、与核心考点关系不大的历史回顾或者过于超前的、短期内不会成为考点的技术展望。整本书的内容都紧紧围绕着一个核心目标——高效掌握计算机系统结构的核心知识体系，并能灵活应对各种考核形式。每一页的内容都感觉是经过反复斟酌和提炼的，信息密度非常高，避免了阅读过程中常见的“水份”过多而浪费时间的情况。可以说，这本书就像是一份高度浓缩的精华提炼，它没有试图包罗万象，而是力求在最核心、最常考的知识点上做到深入、透彻，让有限的学习时间能够投入到回报率最高的区域。这对于时间紧张的学习者来说，无疑是找到了性价比最高的学习资源。

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这本书的排版和印刷质量实在让人眼前一亮，纸张摸起来手感很好，即便是长时间阅读也不会觉得刺眼，这对于我们这些需要长时间伏案苦读的备考者来说简直是福音。装帧设计也相当用心，封面设计简洁大气，既有专业感又不失亲和力。更值得称赞的是，内页的字体大小和行距都经过了精心的调整，使得阅读起来非常舒适。很多技术类书籍往往在视觉体验上做得比较粗糙，但这本却在细节之处体现了对读者的尊重。无论是重点内容的加粗、关键概念的标注，还是公式和图表的清晰呈现，都显示出编者在制作过程中花费了大量心血。在学习过程中，良好的阅读体验能够极大地提升学习效率和兴趣，这本书显然在这方面做到了极致，让人在枯燥的学习之余也能享受到阅读的乐趣。

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我特别欣赏这本书在理论深度和实践应用之间找到的那个微妙的平衡点。它没有陷入纯粹的学术理论堆砌，导致内容过于空泛，也没有为了追求“实用”而牺牲了对底层原理的严谨剖析。它能用最精炼的语言阐述一个复杂架构的设计哲学，同时又会紧接着给出当前主流处理器或系统是如何实现这一哲学的具体实例。这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，对于我们准备高难度考试尤其关键，因为考试往往不仅考察对概念的记忆，更考察对设计思想的理解和应用能力。书中提供的那些精选的分析案例，无论是对流水线冒险的深入剖析，还是对存储器层次结构的性能优化策略探讨，都具有极高的参考价值，让人感觉自己不仅仅是在读书，更像是在跟随一位经验丰富的架构师进行实地考察。

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