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出版者:第1版 (2003年1月1日)

作者:蒋本珊

出品人:

页数:242 页

译者:

出版时间:2003-1

价格:25.0

装帧:平装

isbn号码:9787302061311

丛书系列:

图书标签:

• 计算机系统结构
• 计算机组成原理
• 汇编语言
• 底层原理
• 自学
• 辅导
• 教材
• 计算机科学
• 数字逻辑
• 体系结构

计算机系统架构的基石：深入理解现代计算的底层逻辑 图书名称： 计算机系统架构：从硬件到软件的无缝集成 内容提要： 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的复杂性与精妙之处。我们不局限于单一的理论模型，而是力求构建一个从最底层的晶体管逻辑，到高层软件交互的完整认知框架。本书的焦点在于阐释“系统”的概念——即各个组件如何协同工作以实现高效、可靠的计算目标。 第一部分：计算的物理基础与指令集架构（ISA） 本部分将系统地回顾信息如何在物理世界中被表示和操作。我们从数字逻辑设计的基础开始，讲解布尔代数、逻辑门电路以及它们如何构成更复杂的组合逻辑与时序逻辑单元，如加法器、寄存器和有限状态机。 随后，我们将深入探讨指令集架构（ISA），这是硬件与软件之间的核心契约。我们不仅会介绍经典的指令集如MIPS或RISC-V的设计哲学——包括定长/变长指令、寻址模式、寄存器组织，还会对比CISC（复杂指令集计算机）与RISC（精简指令集计算机）的优劣权衡。重点分析RISC-V作为现代、开放指令集架构的崛起，其模块化和可扩展性如何影响未来硬件的设计趋势。理解ISA是掌握处理器如何“理解”程序的第一步。 第二部分：处理器设计与流水线技术 本部分将带领读者进入处理器的“心脏”。我们将详细解析数据通路（Datapath）的设计，包括算术逻辑单元（ALU）的实现细节，以及控制单元如何协调操作。 核心内容聚焦于指令级并行性（ILP）的实现技术： 1. 流水线（Pipelining）：解释如何通过将指令执行分解为多个阶段（取指、译码、执行、访存、写回）来提高吞吐量。我们将详细分析流水线冒险（结构冒险、数据冒险、控制冒险）的类型，以及数据前递（Data Forwarding）和分支预测等关键技术如何缓解这些问题，从而实现高性能的单周期/多周期设计。 2. 超标量处理器（Superscalar）：探讨如何在一个时钟周期内执行多条指令，涉及指令调度、重排序缓冲（Reorder Buffer, ROB）和乱序执行（Out-of-Order Execution）的概念，揭示现代高性能CPU的复杂调度机制。 第三部分：存储体系结构与性能优化 计算速度的提升往往受限于数据获取的速度。本部分将系统阐述存储层次结构（Memory Hierarchy），解释为什么这种分层设计是现代系统性能的关键所在。 1. Cache 机制：我们将详述SRAM和DRAM的工作原理，并深入剖析一级、二级和三级缓存的设计。内容涵盖映射策略（直映、全关联、组相联）、替换算法（LRU, FIFO）以及写操作策略（写直达、写回）。理解局部性原理（时间局部性和空间局部性）在缓存命中率中的决定性作用。 2. 主存与虚拟存储器：讲解虚拟内存的概念，包括地址翻译过程（分段与分页）、页表结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用，以及操作系统如何利用虚拟内存实现内存保护和资源共享。 第四部分：并行计算与多核架构 随着摩尔定律的放缓，并行化已成为提升系统性能的主要途径。本部分着眼于如何利用多个处理单元同时处理任务。 1. 并行性分类：区分指令级并行、数据级并行（SIMD/矢量处理）、任务级并行和线程级并行。 2. 多核与多处理器系统：深入探讨多核处理器（CMP）的设计，特别是片上系统（SoC）中的集成方式。核心内容是缓存一致性（Cache Coherence）协议，如MESI协议，以及如何确保跨多个核心读取到一致的数据。 3. 内存一致性模型：不同于强一致性，现代系统通常采用弱一致性模型。本书将解释顺序一致性、释放一致性等模型的含义，以及程序员如何利用内存屏障（Memory Barriers）来控制指令的可见性顺序。 第五部分：I/O系统与系统级互连 一个完整的系统需要高效地与外部世界交互。本部分关注输入/输出（I/O）系统的设计。 1. 中断与异常处理：分析处理器如何响应外部事件和内部错误。 2. 总线与互连网络：对比传统的共享总线结构与更现代的点对点互连技术（如PCI Express）。我们将分析如何设计高带宽、低延迟的片上网络（NoC）以连接CPU、GPU、内存控制器和其他外设。 3. DMA（直接内存访问）：讲解DMA如何将I/O设备与主存的传输从CPU的控制中解放出来，从而提高系统并发效率。 目标读者： 本书适合于计算机科学、电子工程、软件工程等专业的本科高年级学生、研究生，以及希望深入了解计算机系统底层工作原理的软件工程师和硬件设计人员。阅读本书前，读者应具备C/C++编程基础和基本的数字电路概念。通过本书的学习，读者将能够不仅仅“使用”计算机，而是真正“理解”一台现代计算机是如何从晶体管的开关运动，上升到复杂软件高效运行的宏伟架构的。

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