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出版者:清华大学出版社

作者:沈美明

出品人:

页数:628

译者:

出版时间:2001-9-1

价格:46.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302045403

丛书系列:清华大学计算机系列教材

图书标签:

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《现代计算系统架构与原理》 内容提要： 本书旨在深入剖析当代主流计算系统的核心架构、设计哲学及其底层运行机制。它并非聚焦于特定指令集的编程实现，而是提供一个宏观且细致的视角，理解从物理层到应用层，现代计算机如何高效、可靠地协同工作。全书结构严谨，逻辑清晰，力求在理论深度与工程实践之间搭建一座坚实的桥梁。 第一部分：计算基石——从物理到逻辑的转换 本部分奠定了理解复杂系统的基础，重点阐述了信息如何在不同的物理载体中被抽象、编码和处理。 第一章：半导体物理与晶体管的开关特性 本章首先回顾了半导体材料的基本性质，着重于PN结的形成与工作原理。深入讨论了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）作为现代数字电路基本开关单元的结构、工作模式（截止、线性、饱和区）及其关键参数（阈值电压、跨导、漏电流）。随后，讲解了晶体管如何组合成逻辑门（如NAND, NOR, XOR），这是构建一切数字系统的最小功能单元。重点分析了CMOS逻辑电路的低功耗特性及其在集成电路中的应用优势。 第二章：数字逻辑设计与组合/时序电路 本章将逻辑门的概念扩展到更复杂的电路设计。详细介绍了布尔代数、卡诺图化简法以及多级逻辑网络的优化技术。在组合逻辑方面，涵盖了加法器（半加器、全加器）、多路选择器（MUX）、译码器和编码器的设计与实现。时序逻辑部分，则聚焦于状态存储单元，如锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop，包括D, JK, T型及其主从结构），并阐述了时序逻辑电路的同步化设计、时钟分发网络（Clock Distribution Network, CDN）的时序约束（建立时间与保持时间）。 第三章：存储系统层次结构与访问机制 存储系统是现代计算系统的核心瓶颈之一。本章系统地介绍了从寄存器到大规模持久化存储的完整层次结构。重点剖析了SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）的内部组织、读写操作的时序要求以及刷新机制。随后，深入探讨了Cache的工作原理，包括写策略（写直通、写回）、替换算法（LRU, FIFO, 随机）以及多级Cache之间的一致性维护协议（如MESI协议的简化概念）。 第二部分：处理器核心架构与微操作 本部分深入微处理器（CPU）的内部结构，聚焦于指令的获取、译码、执行和结果写回的完整周期。 第四章：指令集架构（ISA）的概念与RISC/CISC的演进 本章首先定义了指令集架构的范畴，包括操作码、操作数格式、寻址模式和寄存器集合。对比分析了CISC（复杂指令集计算）和RISC（精简指令集计算）的设计哲学、优缺点及其在现代处理器中的融合趋势。详细阐述了定点和浮点运算的硬件实现基础，包括IEEE 754浮点标准。 第五章：指令流水线技术与性能优化 流水线是提升处理器并行度的关键技术。本章详细分解了五级或七级流水线的结构（取指、译码、执行、访存、写回）。重点分析了流水线中固有的数据相关性、控制相关性带来的冒险（Hazard）问题，以及硬件如何通过数据前推（Forwarding/Bypassing）和分支预测（Branch Prediction，如两级预测器）来缓解这些冒险，保持流水线的有效吞吐率。 第六章：异常、中断与特权级管理 处理器必须具备响应外部事件和内部错误的能力。本章探讨了中断（Interrupt）和异常（Exception）的硬件和软件机制。讲解了中断向量表、中断处理流程，以及CPU如何从用户态切换到内核态，实现特权级的转换。分析了内存管理单元（MMU）在地址翻译过程中如何触发缺页异常，确保系统的安全隔离。 第三部分：系统互联与并发执行 本部分将视角从单个处理器扩展到整个系统层面，关注数据和控制流如何在多个组件间高效流动。 第七章：总线结构、仲裁与DMA 本章详细描述了系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）的结构与工作原理。探讨了共享总线环境下的仲裁机制（如链式查询、计数器法），以确保多个设备对总线的访问权得到公平且有序的分配。重点讲解了直接内存访问（DMA）控制器的工作流程，阐明了DMA如何卸载CPU，实现高效的数据块传输。 第八章：内存管理单元（MMU）与虚拟内存 虚拟内存是现代操作系统能够有效运行的关键抽象。本章深入MMU的硬件实现，讲解了页表（Page Table）的结构，多级页表如何映射虚拟地址到物理地址。分析了TLB（Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻译中的作用，以及TLB未命中和页错误处理的完整硬件-软件协同过程。 第九章：多核并行处理与缓存一致性 随着摩尔定律的演进，多核处理器成为主流。本章探讨了多核系统中的并行编程模型基础。着重分析了多核系统中，每个核心都有自己的私有L1/L2缓存时，如何维护全局内存模型的一致性。引入了缓存一致性协议（如目录式协议或嗅探协议的基本概念），阐述它们如何确保不同核心对共享数据的读写操作是原子和可见的。 第十章：输入/输出（I/O）系统设计 本章讨论了系统如何与外部设备通信。对比了三种主要的I/O控制方式：程序控制I/O、中断驱动I/O和DMA I/O，并分析了各自的应用场景。讨论了现代I/O系统中的连接技术，如PCI Express (PCIe) 的串行拓扑结构及其事务层、数据链路层的工作流程，强调了其高带宽和低延迟的特性。 结语： 本书为计算机科学、电子工程以及相关领域的学生和工程师提供了一个全面、深入的视角，去理解和设计支撑现代数字世界的复杂计算引擎。它强调的是“为什么”和“如何”这些机制被设计出来，而非局限于特定汇编语言的语法细节。掌握这些底层原理，是进行高效系统软件开发、硬件加速器设计或深入性能优化的必备前提。

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说实话，一开始我对这本书抱有一丝疑虑，毕竟80x86架构已经有几十年的历史了，在云计算和移动计算时代，是不是有点“过时”了？但在学习了关于**中断处理和服务例程**的部分后，我的看法彻底改变了。这个知识点是理解操作系统内核和实时系统设计的基石，而这本书对16位和32位保护模式下的中断描述符表（IDT）的讲解，非常到位。它没有止步于DOS时代的简单中断调用，而是深入到了如何处理硬件中断和软件中断的流程，以及不同权限级别之间的切换机制。我尤其欣赏其中关于I/O端口映射和直接内存访问（DMA）的讨论，这对于理解高性能外设的交互逻辑至关重要。在某次尝试编写一个小型驱动程序原型时，书中描述的轮询与中断驱动模式的优劣对比，直接为我指明了方向。这本书的难能可贵之处在于，它将一个看似陈旧的架构，解读出了其核心的、跨时代的计算机科学原理。它让你明白，不论上层应用如何迭代，底层硬件与软件交互的基本逻辑是恒定不变的。对于想要深入嵌入式系统、固件开发或者安全逆向工程的读者来说，这本书提供的基础知识是任何新框架都无法替代的。

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总的来说，这本书给我的整体感受是，它成功地将一个通常被认为晦涩难懂的主题，变成了一次引人入胜的探索之旅。它的叙事风格非常稳定和严谨，没有过多的花哨词藻，每一个知识点的铺陈都像是严密的逻辑论证，步步为营，绝不跳跃。我欣赏作者的这种“匠人精神”，对每一个细节的打磨都力求精确。例如，在讲解**浮点运算单元（FPU）**的使用时，它不仅限于基本的加减乘除，还详细介绍了寄存器堆栈的结构以及如何进行三角函数和对数运算的近似计算，这在很多入门书籍中是被直接忽略的。这种详尽的处理，使得这本书不仅适合初学者打基础，也适合有一定经验的程序员用来查漏补缺，甚至可以作为深入研究特定指令集特性的参考手册。如果你对计算机底层运行机制抱有由衷的敬畏和探索欲，希望真正理解程序是如何被加载、执行和结束的，那么这本书绝对是你书架上不可或缺的一本奠基之作。它带来的知识的深度和广度，远超出了我对一本“汇编语言”教材的预期。

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这本书的价值，在我看来，并不仅仅在于它传授了多少具体的指令集知识，更重要的是它培养了一种“自底向上”的思维模式。在现在的编程环境中，我们习惯了高级语言的便捷和抽象，很多时候，一个功能可能只需几行Python或Java代码就能实现，但背后的机制却一无所知。这本书就像一把精密的钥匙，帮我打开了那扇通往机器世界的门。我花了大量时间在关于**内存分段和寻址模式**的那几章，起初确实有点绕，因为这和我们日常使用的线性地址空间概念相去甚远。但是，作者并没有简单地抛出理论，而是通过一系列递进式的练习题，引导我一步步去理解数据是如何在物理内存和逻辑内存之间映射转换的。那些关于堆栈操作的章节，尤其精彩，让我深刻理解了函数调用栈的底层运作，这对于排查一些难以捉摸的野指针或栈溢出问题，无疑是提供了强大的理论支撑。我甚至尝试着去反编译了一些简单程序的机器码，虽然过程痛苦但收获巨大，这得益于书中对操作码（Opcode）编码的细致解析。读完这些内容后，我再回过头去看C语言的指针运算，感觉完全不一样了，多了一种洞察力，知道编译器背后做了哪些“翻译”工作。这本书真正做到了“授人以渔”，它教你如何像机器一样思考，而不是仅仅记住几个命令。

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这本书的封面设计，说实话，第一眼看过去就挺吸引人的，那种深蓝色的背景配上醒目的橙色字体，一下子就抓住了我的眼球。虽然我不是专业的计算机科班出身，但对底层技术一直抱有浓厚的好奇心，尤其是在软件开发这条路上走得越远，越发觉得理解CPU是怎么思考的至关重要。拿到书后，我迫不及待地翻阅了目录，内容覆盖的范围很广，从基本的寄存器结构到复杂的内存管理，再到中断和I/O操作，脉络清晰得让人安心。作者在内容的组织上显然下了不少功夫，不像有些教材那样枯燥乏味，而是通过大量的实例和图示来讲解抽象的概念，这对于我们这些实践派的学习者来说，简直是福音。特别是对初学者友好的部分，讲解得非常细致，比如如何搭建一个基础的开发环境，如何编写你的第一行汇编代码并成功运行，这些细节都被照顾得妥妥帖帖。我特别欣赏作者在某些关键概念上的类比手法，比如用一个日常生活的场景来解释段寄存器的工作原理，瞬间就豁然开朗了。这本书的排版也很舒服，字体大小适中，关键代码块都用醒目的方式标出，长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。总而言之，它给我的第一印象是：这是一本兼顾深度和易读性的入门级精品，让人有信心啃完它，真正摸到计算机的心脏。

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这本书的配套资源和学习体验也是值得称赞的一点。我使用的是电子版，但书中的代码示例都结构清晰，注释详尽。更重要的是，作者在书中反复强调了不同汇编器（比如MASM和NASM）之间的语法差异，这避免了初学者在切换工具时可能遇到的困惑。我特别喜欢它在讲解复杂循环和过程调用时，会穿插一些“性能优化”的小贴士，比如如何避免不必要的寄存器压栈、如何利用流水线特性来重排指令顺序等等。这些“经验之谈”往往是教科书上看不到的，它们极大地提升了代码的效率，让我感觉自己不仅仅是在写代码，更是在雕琢精密的机械装置。在学习完**字符串处理和数据结构在汇编层面的实现**后，我尝试用汇编语言重新实现了一个快速排序算法，书中的指导让我能够清晰地规划寄存器的分配和返回地址的保存，最终实现的效率比我用高级语言写的版本还要高出不少（至少在特定数据集上是如此）。这种即时反馈的学习过程，极大地增强了我的学习动力，让我觉得汇编编程并非是枯燥乏味的体力活，而是一种充满逻辑美感的艺术。

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教材，不好不坏吧~~

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书中有关IO的汇编接口解释的系统，在写操作系统时值得参考。

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教材，不好不坏吧~~

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贡献者：SZDIY

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书中有关IO的汇编接口解释的系统，在写操作系统时值得参考。