计算机组成与结构 Computer Organization and Architecture

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出版者:机械工业出版社
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出版时间:2004-8-1
价格:220
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isbn号码:9787111930747
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机组成原理
  • 计算机体系结构
  • 数字逻辑
  • 汇编语言
  • 计算机硬件
  • 存储系统
  • CPU
  • 指令集
  • 流水线
  • 并行计算
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具体描述

《数字世界的基石:从算法到硬件的精妙之旅》 在这本书中,我们将一同踏上一段探索计算机核心奥秘的旅程。我们不会从“计算机组成与结构”这个熟悉的起点出发,而是将视角稍作偏移,深入到那些驱动这一切运行的根本原理和思想。这并非一本关于芯片堆叠和指令集定义的教科书,而是关于我们如何将抽象的逻辑转化为能够执行复杂任务的物理实体。 第一章:逻辑的艺术与二进制的语言 我们将从计算机最基础的构成元素——逻辑门——开始。这不是简单的“与”、“或”、“非”的符号堆砌,而是对它们如何构建更复杂逻辑单元的深刻理解。我们将探讨布尔代数的优雅,以及如何利用它来设计组合逻辑电路,实现诸如加法器、多路选择器这样的基本算术和控制单元。随后,我们将潜入二进制的世界,理解数字是如何被编码和表示的。负数的表示、浮点数的精度,这些看似枯燥的概念,实则是所有计算的基石。我们将通过实际的例子,感受二进制操作的强大和魅力,以及它们如何映射到物理电路的开关状态。 第二章:时间的韵律与状态的记忆 一旦我们掌握了组合逻辑,就必须引入“时间”的概念。计算机不是静态的,它的心脏——时钟——驱动着每一次状态的改变。本章将深入研究时序逻辑电路,特别是触发器和寄存器。我们将理解它们如何存储信息,以及如何通过有限状态机来控制程序的执行流程。这里,我们将看到如何将一系列的逻辑门组织起来,形成能够记住前一个操作结果的“记忆单元”。我们还将探讨这些单元如何协同工作,构建起能够执行顺序指令的微处理器雏形。 第三章:指令的奏鸣曲:从抽象到执行 任何一台计算机都离不开一套能够指挥其工作的指令集。我们不会详细罗列某种特定架构的指令,而是聚焦于指令集设计背后的哲学和权衡。我们将分析指令的通用格式,包括操作码、地址码等关键部分,以及它们如何协同工作来完成数据的加载、存储、算术运算、逻辑运算和分支跳转。更重要的是,我们将探索指令流水线这一核心概念。通过将指令的执行过程分解为多个阶段,并让多个指令重叠执行,我们揭示了现代处理器实现高性能的关键所在。这将是一场关于如何最大限度地利用硬件资源、减少等待时间、实现高效计算的深入剖析。 第四章:内存的层次与数据的流转 数据是计算机的血液,而内存系统则是其血管。我们不会纠结于DRAM的刷新周期或SRAM的单元结构,而是关注整个内存系统的层次化设计。从离处理器最近、速度最快的寄存器文件,到速度较慢但容量巨大的主存储器,再到非易失性的存储设备,我们将揭示这种层次结构如何通过缓存、虚拟内存等机制,在性能和成本之间取得平衡。我们将详细探讨缓存的工作原理,理解缓存命中率的重要性,以及各种缓存替换算法背后的逻辑。通过理解数据的流转路径和存储介质的特性,我们可以更深刻地认识到为什么程序的性能会受到内存访问模式的显著影响。 第五章:输入输出的桥梁与世界的连接 计算机的价值在于它能够与外部世界互动。本章将聚焦于输入输出(I/O)系统。我们不会仅仅列举各种I/O设备,而是探讨它们如何与计算机进行通信。我们将深入理解端口映射和内存映射I/O的区别,以及中断和直接内存访问(DMA)这两种重要的I/O处理机制。中断是如何让设备“打断”处理器,请求服务的?DMA又是如何让设备直接与内存交互,从而减轻处理器的负担?我们将通过这些机制,理解计算机如何响应外部事件,如何将数据输入和输出到世界各地。 第六章:并行计算的黎明与未来的展望 在信息爆炸的时代,单核处理器已经难以满足日益增长的计算需求。本章将把目光投向并行计算的世界。我们将探索多核处理器、GPU以及更广泛的分布式计算系统。我们将讨论并行编程模型,以及如何将一个大的计算任务分解成许多小的、可以同时执行的子任务。我们将理解共享内存模型和消息传递模型的差异,以及如何通过同步和通信机制来协调并行任务的执行。最后,我们将展望未来的计算趋势,包括量子计算、神经形态计算等新兴领域,思考它们将如何重塑我们对计算的认知。 这本书旨在培养读者一种“硬核”思维,让你能够不仅仅停留在软件的应用层面,更能理解驱动这一切的硬件原理。我们将用清晰的逻辑、丰富的示例,将抽象的概念具象化,让你在每一次按下“运行”按钮时,都能感受到背后那精密运转的数字世界的脉搏。这是一场关于如何将思想转化为计算力量的旅程,一段关于构建数字世界的基石的探索。

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读后感

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用户评价

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作为一名软件工程师,我一直觉得理解计算机的底层原理对于写出更高效、更健壮的代码至关重要。《计算机组成与结构》这本书,为我提供了一个非常全面的视角。我特别欣赏书中关于“存储器系统”的讲解,它不仅仅是简单地介绍RAM和硬盘,而是深入到了内存的层次结构,包括CPU缓存(Cache)的各种组织方式(如直接映射、组相联、全相联)以及替换算法(如LRU)。这让我明白了为什么有时候代码的性能会受到数据访问模式的影响,以及如何通过调整数据结构和访问顺序来优化缓存命中率。书中关于“指令集架构”(ISA)的讨论也让我受益匪浅。我了解了RISC和CISC指令集的设计哲学,以及它们对处理器设计和软件优化的影响。这对于我理解不同架构的CPU(如x86和ARM)的特点,以及如何为特定的架构进行程序优化非常有帮助。更让我印象深刻的是,书中对于“并行处理”和“多核处理器”的介绍。它详细阐述了流水线技术如何提高指令执行效率,以及多核处理器如何通过并行执行多个线程来大幅提升计算能力。我学到了关于线程同步、锁机制以及并行编程中的一些基本挑战,这对于我设计高性能并发应用程序具有重要的指导意义。这本书的内容严谨而深入,逻辑清晰,将复杂的计算机组成原理娓娓道来,让我对计算机的“心脏”和“大脑”有了前所未有的深刻理解。

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我必须说,《计算机组成与结构》这本书的深度和广度都超出了我的预期。作为一个已经涉足软件开发领域几年的从业者,我一直在寻找能够提升我底层理解的书籍,而这本著作无疑满足了我的需求,甚至可以说是超额完成了任务。书中对于CPU设计中“流水线”这一核心概念的解析,是我读过的最清晰、最透彻的解释。作者不仅仅是简单地描述了流水线的工作方式,还深入探讨了各种“冒险”,比如结构冒险、数据冒险和控制冒险,以及相应的解决方案,如转发、流水线暂停和分支预测。这些内容对于理解现代高性能处理器的设计至关重要,也让我对软件性能优化有了全新的认识。以往,我可能会关注算法的时间复杂度,但现在我更能理解指令的执行顺序、缓存的命中率等底层因素对程序性能的影响。此外,书中关于“缓存一致性”和“多处理器架构”的部分,也为我理解并行计算和分布式系统的挑战提供了坚实的基础。我特别欣赏作者在解释这些复杂概念时,所使用的类比和图示,它们使得抽象的原理变得具体可感,大大降低了学习的门槛。尽管这本书在某些章节涉及的细节非常深入,但整体而言,它为我构建了一个完整而清晰的计算机系统图景,让我能够从一个更高的层面去思考软件设计和性能调优。

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我是一名刚入门的电子工程专业的学生,在学习过程中,对于计算机的内部工作原理一直感到有些抽象和难以理解。《计算机组成与结构》这本书,恰好为我提供了一个清晰的学习路径。它不仅仅是一本介绍计算机硬件的书,更是一本帮助我建立起计算机系统全局观的指南。我尤其欣赏书中对于“存储器层次结构”的讲解。从CPU内部的寄存器,到高速缓存(Cache),再到主内存(RAM),最后到二级存储(硬盘),作者详细介绍了不同存储介质的访问速度、容量和成本之间的权衡。我学会了CPU如何通过缓存来减少访问主内存的次数,从而显著提高执行效率,并且理解了缓存的组织方式(如直接映射、组相联、全相联)以及相关的替换算法。这让我明白,即使CPU速度飞快,如果内存访问跟不上,整个系统的性能也会大打折扣。此外,书中关于“输入/输出(I/O)系统”的部分,也让我对计算机如何与外部世界进行交互有了全新的认识。从接口控制器到各种I/O设备,如键盘、鼠标、显示器和网络接口,作者都进行了详细的描述,并且解释了程序I/O、中断驱动I/O和直接内存访问(DMA)等不同的数据传输方式。这些内容对于我理解操作系统如何管理硬件资源,以及如何实现高效的数据传输至关重要。这本书的每一章都像是在为我搭建计算机世界的“骨骼”和“血脉”,让我对计算机的整体运作有了更扎实、更系统的认知。

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我是一名对计算机科学抱有浓厚兴趣的业余爱好者,一直想深入了解计算机的内部运作机制。《计算机组成与结构》这本书,可以说是为我量身定做的。书中对于“数字逻辑设计”的讲解,让我从最基础的门电路(AND, OR, NOT)开始,逐步理解了如何构建出更复杂的逻辑组件,如加法器、译码器和触发器,并最终如何组合这些组件来构建出CPU的核心部件,如算术逻辑单元(ALU)和控制器。这让我感到非常神奇,仿佛在学习如何用最基本的积木搭建起一台精密的机器。我尤其喜欢书中关于“CPU的指令周期”的详细描述,它解释了CPU是如何一步步地获取指令、解码指令、执行指令,并将结果写回寄存器的。我了解了指令的格式,以及不同的指令(如数据传输、算术运算、逻辑运算、分支跳转)是如何被CPU识别和执行的。此外,书中对“存储器接口”和“I/O接口”的介绍,也让我明白了计算机是如何与外部世界进行数据交换的。我学会了中断是如何工作的,以及DMA(直接内存访问)是如何绕过CPU直接在内存和I/O设备之间传输数据的,这对于我理解操作系统的 I/O 管理非常有帮助。这本书的优点在于,它能够将那些听起来高深莫测的技术概念,用一种逻辑清晰、循序渐进的方式呈现出来,让我能够充分地理解并消化。

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作为一名对计算机硬件充满好奇的爱好者,我一直渴望能找到一本能够真正让我理解计算机“心脏”的书。《计算机组成与结构》这本书,可以说是我寻觅已久的那一本。我一直对CPU的运行机制感到着迷,而这本书对于CPU内部结构,包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元、寄存器组等的详细介绍,让我豁然开朗。我学会了指令的获取、解码、执行和写回过程是如何一步步完成的,理解了时钟周期和指令周期的概念,以及它们是如何影响计算机的执行速度的。书中对于“指令流水线”的讲解更是让我惊叹,作者通过生动的图示和通俗易懂的语言,解释了如何通过并行处理指令来提高CPU的效率,并且详细阐述了各种冲突以及相应的解决策略。这让我对现代计算机处理器的强大性能有了更深刻的认识。除了CPU,这本书对内存层次结构,包括高速缓存(Cache)和主内存(RAM)的组织方式,也进行了深入的剖析。我了解了缓存是如何工作的,为什么它可以显著提高数据访问的速度,以及缓存命中率的重要性。我还学习了虚拟内存的概念,它如何扩展了可用内存,以及页表和TLB的作用。这些知识不仅满足了我的好奇心,也为我理解操作系统的内存管理提供了重要的理论基础。这本书的逻辑清晰,结构合理,每一个概念都建立在前面所讲知识之上,让我能够循序渐进地掌握计算机的底层原理。

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作为一名大学计算机系的学生,我一直在寻找一本能够系统性地、全面地梳理计算机组成与结构知识的教材。《计算机组成与结构》这本书,毫无疑问地成为了我学习路上的重要指引。它不仅仅是知识的堆砌,更重要的是提供了一种思考计算机系统设计问题的方法论。我特别赞赏书中对于“性能评估”的章节,作者不仅介绍了CPI(每指令时钟周期数)、时钟频率等基本指标,还深入探讨了如何通过优化指令集、改进流水线设计、利用缓存等手段来提升整体性能。这让我认识到,计算机的性能并非单一因素决定,而是多种技术协同作用的结果。书中关于“虚拟存储器”的讲解也给我留下了深刻的印象。我学会了页表、TLB(Translation Lookaside Buffer)是如何工作的,以及它们如何帮助CPU快速地将虚拟地址转换为物理地址,从而实现高效的内存管理,并且可以支持比物理内存更大的逻辑地址空间。此外,书中关于“并行处理”的探讨,涵盖了从指令级并行(如流水线、超标量)到线程级并行(如多核处理器)再到数据级并行(如SIMD)等多个层面。这让我对现代高性能计算的实现机制有了更清晰的认识,也为我未来深入研究并行算法和分布式系统打下了坚实的基础。这本书的内容涵盖面广,逻辑严谨,理论扎实,为我构建了一个坚实的计算机系统知识体系。

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这本《计算机组成与结构》是我近期读过最让我印象深刻的计算机科学类书籍之一,即使我不是计算机专业的学生,它也以一种非常清晰且引人入胜的方式,为我揭开了计算机“内在”的神秘面纱。作为一名对技术充满好奇心的普通读者,我一直对电脑如何处理信息、如何执行指令感到好奇。过去,我可能只知道CPU、内存这些基本概念,但对于它们之间是如何协同工作的,是如何将我输入的指令转化为屏幕上的显示,一直是模糊不清的。这本书的伟大之处就在于,它没有像许多教科书那样充斥着晦涩难懂的专业术语和复杂的公式,而是用一种循序渐进、由浅入深的方式,将计算机的内部结构拆解开来,并一一进行解释。从最基础的逻辑门电路,到复杂的流水线技术,再到内存的层次结构和I/O设备的接口原理,作者都给予了详尽的阐述。我尤其喜欢书中对于“指令集架构”的介绍,它让我明白了不同计算机之间指令的差异,以及软件和硬件之间是如何进行交互的。更让我惊喜的是,书中还穿插了一些计算机发展史上的重要事件和人物,这让原本可能枯燥的技术讲解变得生动有趣,也让我对计算机科学的发展有了更深的理解。总而言之,这是一本非常值得推荐给任何对计算机工作原理感兴趣的读者的书,它填补了我知识的空白,也激起了我对计算机科学更深层次的探索欲望。

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我是一位对计算机历史和技术演进感兴趣的读者,在阅读《计算机组成与结构》这本书的过程中,我不仅获得了对现代计算机工作原理的深刻理解,还对计算机技术是如何一步步发展到今天的有了全新的认识。书中对不同历史时期重要计算机体系结构的介绍,让我能够将抽象的技术概念与具体的历史事件联系起来。例如,在讲解指令集架构时,作者会对比介绍早期的CISC(复杂指令集计算)和后来的RISC(精简指令集计算)的设计理念,并分析它们各自的优缺点以及对软件和硬件发展的影响。这种历史性的视角,让我能更深刻地理解为什么现代计算机架构会是现在这个样子。我尤其对书中关于“内存技术”的演进过程的描述感到着迷。从最初的磁芯存储器,到后来的DRAM和SRAM,再到今天的高速缓存和DDR SDRAM,我看到了技术是如何不断突破限制,实现更快、更大容量、更低功耗的。书中对于CPU内部“控制单元”的设计的讲解,更是让我惊叹于工程师们是如何将复杂的逻辑电路组织起来,实现对指令的精确控制和协调。这本书不仅仅是一本技术手册,更像是一部计算机科学的“编年史”,它以一种引人入胜的方式,将技术细节与历史发展融为一体,让我对计算机的理解更加立体和全面。

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我是一名对计算机底层原理有强烈探究欲的程序员,一直觉得如果不能理解代码是如何在硬件层面执行的,那对技术的理解总归是“隔靴搔痒”。《计算机组成与结构》这本书,为我提供了一个绝佳的“内视镜”,让我得以窥探计算机的“心脏”。我非常喜欢书中对于“指令集体系结构”(ISA)的深入解析。它让我明白了CPU执行的每一条机器指令是如何被编码的,以及不同的指令类型(如算术运算、逻辑运算、数据传输、控制转移)在CPU内部是如何被处理的。我了解到,即使是同一条高级语言语句,在编译成机器码后,也会转化为一系列复杂的底层指令。这让我对编译器的工作原理有了更深的理解,也促使我去思考如何写出更“CPU友好”的代码。此外,书中对“存储器层次结构”的讲解,尤其是关于高速缓存(Cache)的各种技术细节,对我优化程序性能有着直接的指导意义。我学会了如何分析程序的访问模式,理解缓存的写策略(写回、写通)和替换策略(LRU等),并尝试通过优化数据布局和访问顺序来提高缓存命中率。这本书的优点在于,它能够将抽象的硬件原理与实际的软件开发紧密结合,让我能够将学到的知识直接应用于提升代码的效率和性能。这本书的讲解既严谨又富有洞察力,是帮助我突破瓶颈、提升技术层次的宝贵财富。

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作为一名非计算机专业但对科技产品充满热情的普通读者,我一直对“计算机是如何工作的”这个问题感到好奇,但又担心那些过于技术性的书籍会让我望而却步。《计算机组成与结构》这本书,出乎意料地给了我一次愉快的学习体验。作者在解释那些可能非常晦涩的技术概念时,非常善于使用生动的类比和形象的比喻。例如,在讲解CPU的“流水线”技术时,作者将其比作工厂的装配线,每个工位负责指令执行的不同阶段,这样多个指令就可以同时在不同的工位上进行处理,大大提高了效率。这种方式让我瞬间就抓住了核心要点,而无需沉浸在繁琐的技术细节中。我特别喜欢书中关于“指令集架构”(ISA)的章节。它让我明白了为什么不同品牌的电脑在执行相同的软件时,底层的工作方式会有所不同,以及软件开发者是如何通过ISA来与硬件进行交互的。当我了解到CPU内部的各种组成部分,如算术逻辑单元(ALU)是如何执行加减乘除等运算,控制单元(CU)是如何协调整个CPU的工作,以及寄存器是如何临时存储数据时,我感觉自己仿佛在解剖一台真实的计算机。这本书的内容深入浅出,既有足够的深度来满足我的求知欲,又足够浅显易懂,让我能够愉快地阅读下去,甚至时不时会产生一种“原来如此”的顿悟感。它无疑是打开我了解计算机底层奥秘的第一扇窗户。

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