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出版者:Morgan Kaufmann Pub

作者:John L. Hennessy

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1989-12

价格:USD 54.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781558600966

丛书系列:

图书标签:

• 计算机体系结构
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• 处理器
• 存储系统
• 并行计算
• 嵌入式系统
• 性能优化
• 低功耗设计
• 缓存
• 流水线

《数字逻辑与计算机设计基础》 简介： 本书旨在为初学者提供一个全面而深入的计算机系统基础知识的起点，完全聚焦于构建现代计算机的基石——数字逻辑和硬件设计原理，而不涉及“Computer Architecture”（计算机体系结构）这一特定领域在指令集架构、流水线设计、内存层次结构优化等高级主题上的内容。 本书的构建逻辑遵循从最基本的电子元件到复杂组合与时序逻辑电路的演进路线，为读者打下坚实的理论与实践基础。我们的核心目标是使读者理解“为什么”和“如何”通过物理层面的开关操作实现信息处理的逻辑功能，而非专注于如何设计和优化特定处理器的微架构。 --- 第一部分：信息表示与布尔代数（The Language of Hardware） 本部分是理解所有数字系统的基石。我们从信息的最基本单位——比特（Bit）——开始，探讨信息如何在计算机中被编码和表示。 1. 数制与编码： 深入讲解二进制、八进制、十六进制等数制的转换原理。重点分析定点数和浮点数的表示方法（如IEEE 754标准概述，但不涉及具体的浮点单元设计或性能分析），以及字符编码（如ASCII、Unicode的早期基础概念）。我们关注的是“表示”本身，而非处理这些表示的指令集。 2. 布尔代数与逻辑门： 这是硬件设计的数学语言。详述代数的基本定律（交换律、结合律、分配律、德摩根定律等）。随后，系统介绍基本逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）的真值表、符号表示和布尔表达式的构建。重点演示如何使用这些基本门来构建复杂的逻辑函数。 3. 逻辑函数的化简： 介绍卡诺图（Karnaugh Map, K-map）的绘制与应用，用于两变量到五变量函数的最小项和最大项化简。同时，引入布尔代数化简法，训练读者通过代数运算达到最简逻辑表达式，以最小化硬件资源。 --- 第二部分：组合逻辑电路设计（Combinational Circuits） 本部分将布尔代数转化为实际的硬件电路，所有输出仅依赖于当前的输入状态，不含记忆功能。 4. 门级实现与多路复用器/译码器： 详细讲解如何利用基础逻辑门搭建标准组合元件。深入分析多路选择器（MUX）作为数据路由器的功能，以及译码器（Decoder）和编码器（Encoder）在地址选择和信号转换中的作用。 5. 算术逻辑单元基础（ALU Primitives）： 本节是理解计算器的核心。我们从最基础的半加器（Half Adder）和全加器（Full Adder）开始，逐步构建串行加法器和并行加法器（Ripple-Carry Adder）。我们详细讨论了二进制补码的加减运算原理，并介绍如何利用加法器实现简单的减法和溢出检测逻辑。请注意，本部分仅涉及基础的加减法电路，不涉及乘法器、除法器或ALU的复杂功能单元设计。 6. 规模集成电路（MSI）的应用： 探讨如何使用中等规模集成电路（如74系列芯片的逻辑功能描述，而非特定型号的电气特性）来实现更复杂的逻辑，例如比较器（Comparator）和有限状态机的输入组合部分。 --- 第三部分：时序逻辑电路设计（Sequential Circuits） 本部分引入了“时间”和“记忆”的概念，是构建状态机和存储单元的关键。 7. 锁存器与触发器（Latches and Flip-Flops）： 这是存储单元的起点。从SR锁存器（包括毛刺问题）开始，逐步过渡到由时钟控制的D触发器（D Flip-Flop）和JK触发器。详细解释主从结构和边沿触发的含义。 8. 寄存器与移位寄存器： 演示如何将多个D触发器连接起来形成并行数据存储单元（寄存器）。深入探讨移位寄存器的工作原理，包括串入并出、并入串出等基本数据移动操作。 9. 计数器设计（Counters）： 讲解如何利用触发器构建异步（Ripple）计数器和同步计数器。重点分析如何设计特定模数的计数器，以及它们在时序控制中的应用。 --- 第四部分：有限状态机（Finite State Machines - FSMs） 本部分将组合逻辑和时序逻辑相结合，构建具有“记忆”和“控制”能力的系统模型。 10. FSM模型与描述： 介绍梅利（Mealy）模型和摩尔（Moore）模型，明确它们在输出依赖性上的区别。使用状态图和状态表来规范化描述一个控制系统。 11. FSM设计流程： 详细阐述状态分配、状态编码（如独热码、格雷码编码）以及相应的组合逻辑电路（下一状态逻辑和输出逻辑）的推导过程。本书将此作为硬件描述的终点，侧重于逻辑实现，不深入探讨状态机的优化（如状态最小化算法）。 --- 第五部分：硬件描述语言导论（Introduction to HDL for Synthesis） 为了使读者能够用现代方法描述前面介绍的逻辑电路，本部分提供了硬件描述语言（以VHDL或Verilog的结构化子集为例）的入门介绍。 12. HDL基础语法： 介绍信号、变量、过程（或`always`块）的基本概念。重点展示如何使用HDL语法直接映射到组合逻辑（如使用`assign`语句或组合逻辑的`always`块）和时序逻辑（如使用时钟敏感的`always`块）。 13. 结构级建模： 演示如何使用HDL来实例化和连接基本逻辑门和先前设计的子模块，实现模块化的硬件描述。 总结： 本书的视野严格限定在数字电路的逻辑层面。它是一本关于如何用开关实现计算和控制的蓝图，是进入电子工程或计算机工程领域的必修基础课。读者在完成本书学习后，将能独立设计和仿真任何基于经典逻辑门和触发器的数字系统，为后续学习处理器设计、操作系统或更高级的体系结构打下不可动摇的逻辑根基，但其中不包含有关CPU流水线、缓存一致性、指令级并行性、存储器管理单元（MMU）或特定指令集（如RISC-V或x86）的任何讨论或分析。

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这部新作，如同一面深邃的镜子，映照出数字世界运行的底层逻辑。它没有急于展示那些光鲜亮丽的应用界面，而是潜入了更核心的领域——信息是如何被捕获、转换、存储和高速传输的。作者的笔触细腻而有力，将那些原本晦涩难懂的晶体管级操作，层层剥开，化为清晰的逻辑图景。我特别欣赏它对并行处理架构的深入剖析，书中对SIMD和超长指令字（VLIW）的比较分析，远超出了教科书式的简单介绍，它探讨了编译器优化与硬件流水线设计之间那种微妙的、共生的关系。阅读过程中，我仿佛站在了微观的尺度上，观察每一个时钟周期内的数据流涌动，理解了为什么某些算法在特定处理器上能展现出惊人的效率。它不仅解释了“是什么”，更深入地追溯了“为什么会是这样”，这种追根溯源的叙事方式，对于希望真正掌握计算原理而非仅仅使用工具的工程师来说，是无价之宝。特别是关于内存层级结构与缓存一致性协议的章节，结构清晰，案例丰富，令人茅塞顿开。

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坦率地说，这本书对读者的基础知识有着一定的要求，它不打算从“二进制是零和一”开始解释。但对于那些已经掌握了操作系统和数字逻辑基础的读者而言，这简直是如虎添翼。作者的论证逻辑严密，几乎没有出现任何含糊不清的表达。尤其是在处理复杂的流水线冲突解决和分支预测算法时，书中采用了图示和伪代码相结合的方式，将原本抽象的控制逻辑具象化。我尤其欣赏它对“陷阱（Traps）”和异常处理流程的系统性梳理，这部分内容在很多教材中常常被一笔带过，但它却是确保系统稳定运行的关键。这本书的价值在于构建了一个完整的知识体系，让你能从硬件层面理解软件行为的限制与潜力。它迫使你思考：如果我设计一个处理器，我会如何解决缓存一致性和指令发射的难题？这种互动式的学习体验是极其宝贵的。

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这部作品散发着一种老派的、对技术深度不妥协的严谨气息。它对经典理论的阐述毫不含糊，但更可贵的是，它能将这些经典理论与当前最前沿的研究热点连接起来。例如，在讨论指令级并行（ILP）的极限时，作者顺理成章地引出了深度学习推理加速器中对稀疏性处理的需求，并探讨了如何通过定制化的数据路径来应对这种挑战。书中对错误检测与纠正（ECC）机制的介绍，细致到不同编码方法的权衡利弊，这体现了作者对“可靠性”这一非功能性需求的重视。阅读过程中，我感觉自己完成了一次对现代计算机核心引擎的深度拆解与重组。它不是一本轻松的读物，需要投入时间去消化那些精妙的相互依赖关系，但其最终带来的对“计算”这一行为的深刻洞察，绝对值得这份投入。

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这本书的广度着实令人印象深刻。它不像许多同类书籍那样只聚焦于CPU的设计，而是将其视野拓宽到了整个计算生态系统。从高性能计算（HPC）中的互连网络拓扑结构，到嵌入式系统中的资源受限优化策略，都有着恰到好处的着墨。我发现其中对GPU通用计算模型（GPGPU）的介绍尤为具有前瞻性，它不仅描述了CUDA或OpenCL的基本编程范式，还深入解析了其内存模型的特殊性以及它如何颠覆了传统的冯·诺依曼式数据访问模式。对于那些希望跨越传统CPU范畴，进入加速计算领域的人来说，这本书提供了一个坚实且全面的跳板。它不是一本快速入门手册，更像是一张详尽的地图，标示出了计算领域各个重要分支的地理位置和它们之间的联系。即便是关于I/O虚拟化和中断处理机制的讨论，也保持了极高的技术深度，避免了浮光掠影。

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老实说，我原本对这类偏向底层的书籍抱持着一丝警惕，担心会陷入枯燥的细节泥潭。然而，这部作品的叙事节奏掌握得极为高明。它像一位经验丰富的建筑师，先宏观地勾勒出整个计算机系统的骨架——从冯·诺依曼模型到现代多核异构设计，然后才开始填充血肉。书中对指令集架构（ISA）的演变历程进行了精彩的回顾，它并没有将x86和ARM视为两个孤立的体系，而是巧妙地将它们置于历史的背景下，展示了设计哲学上的取舍与妥协。更令人惊喜的是，作者引入了大量的性能评估模型和实际的瓶颈分析，这使得理论不再是空中楼阁。我尤其喜欢它对功耗与性能平衡这一现代设计核心矛盾的探讨，那种对物理限制下工程艺术的描绘，充满了现实的张力。读完后，我对“快”的理解不再停留在频率数字上，而是深入到了延迟、带宽和能效比的综合考量之中。

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