计算机结构与硬件技术（面向２１世纪）（张林国 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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isbn号码:9787040120509

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• 计算机结构
• 硬件技术
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• 汇编语言
• 存储系统
• 输入输出系统
• 处理器
• 计算机体系结构
• 张林国

计算机系统设计与实现：从底层逻辑到应用架构 本书旨在为读者构建一个全面、深入的现代计算机系统知识体系，重点关注硬件与软件的交互机制、系统级性能优化策略以及前沿的计算范式。 第一部分：计算基石——深入理解信息处理的本质 第一章：数字逻辑与信息表示的再审视 本章从布尔代数和组合逻辑电路的精细分析入手，探讨如何高效地构建运算单元。我们不仅回顾经典的加法器、多路复用器等基本组件，更将着眼于现代集成电路中如何利用更先进的逻辑族（如CMOS的亚阈值设计）来平衡速度与功耗。重点讨论定点和浮点数的IEEE 754标准在实际系统中的实现细节与潜在的精度陷阱。特别引入了容错逻辑的概念，分析如何在硬件层面设计对瞬态错误具有一定抵抗能力的电路结构。对非传统数制（如平衡三值逻辑或Residue Number System）在特定嵌入式或信号处理场景下的应用潜力进行简要探讨。 第二章：CPU核心架构的演进与深度剖析 本章聚焦于指令集架构（ISA）的选择对系统性能的影响。我们深入解析RISC-V架构的模块化优势，并对比x86-64的复杂指令集在现代微架构中的解码与执行策略。详细阐述指令级并行（ILP）的实现技术，包括深度流水线设计、乱序执行（Out-of-Order Execution）的核心调度算法（如基于Reservation Station和Reorder Buffer的工作流程），以及分支预测单元（如TAGE、Perceptron预测器）的复杂性与准确性权衡。此外，本章将专门辟出一节讨论向量计算单元（SIMD/AVX/GPU内核）的设计理念，及其与标量核心的协同工作模式。 第三部分：存储体系的性能瓶颈与优化 第三章：存储器的层次结构与缓存一致性 计算机性能往往受限于内存延迟。本章系统性地梳理从寄存器到二级缓存（L2/L3）再到主内存（DRAM）的整个存储层次。我们将详细分析多级缓存的组织方式（直映式、组相联、全相联）及其替换策略（LRU、Pseudo-LRU的实际硬件实现）。核心内容将集中在多核/多处理器系统中的缓存一致性协议，深入剖析MESI、MOESI协议的状态转换、消息传递机制以及总线仲裁策略。此外，本章还会探讨非易失性内存（NVM，如3D XPoint）的读写特性，及其对传统缓存管理机制带来的挑战与机遇。 第四章：I/O系统与外部设备交互 本章关注数据如何在CPU与外部世界之间高效流通。重点讲解直接内存访问（DMA）控制器的工作原理，如何通过零拷贝技术减少CPU开销。分析现代总线结构（如PCI Express的物理层、数据链路层和事务层）的帧格式和事务处理流程。对于高性能存储（NVMe SSD），我们将解构其队列深度管理、命名空间管理以及与操作系统驱动程序之间的交互协议。同时，探讨中断处理机制的效率优化，包括中断向量表的设计和消息信号中断（MSI/MSI-X）的优势。 第三部分：系统软件层面的抽象与交互 第五章：操作系统内核中的硬件抽象层（HAL） 本章深入操作系统内核的视角，探讨如何通过硬件抽象层屏蔽底层硬件的差异性。详细分析现代操作系统（如Linux、类Unix内核）如何实现任务调度器（如CFS或EDF）与硬件上下文切换的紧密配合。重点剖析虚拟内存管理单元（MMU）的映射机制，TLB（Translation Lookaside Buffer）的刷新与替换策略，以及缺页异常的处理流程。讨论内存保护（如Ring 0/3权限模型）和隔离机制在硬件支持下的实现。 第六章：并行计算模型与编程范式 本章超越单线程的限制，探讨如何充分利用多核和异构计算资源。详细对比共享内存模型（如OpenMP的编译时指导和运行时库）与消息传递模型（如MPI的通信原语）。深入探讨GPU计算的编程模型（如CUDA/OpenCL），特别是线程束（Warp/Wavefront）的调度、内存访问的合并（Coalescing）以及共享内存的使用技巧。最后，引入并发原语（如原子操作、内存屏障）的底层硬件语义，阐明它们在保证多线程程序正确性中的关键作用。 第四部分：面向未来的计算架构与挑战 第七章：异构计算与特定领域架构（DSA） 随着摩尔定律的放缓，通用CPU的性能提升日益依赖于专用加速器。本章全面介绍FPGA、DSP以及ASIC在特定计算密集型任务中的应用。详细分析如何利用硬件描述语言（如Verilog/VHDL）进行逻辑综合与布局布线，以实现定制化的数据通路。讨论异构系统中的数据迁移策略和异构编程模型（如OpenACC/OpenCL的统一内存视图）。 第八章：系统安全与可信计算基础 本章探讨硬件如何为系统安全提供基础信任根。深入分析可信平台模块（TPM）的功能，包括安全启动（Secure Boot）、度量和密钥管理。讨论硬件辅助的虚拟化技术（如Intel VT-x/AMD-V）是如何实现客户操作系统与管理程序之间的隔离，以及内存加密技术（如Intel SGX）如何构建受保护的执行环境，抵御旁路攻击。重点分析 Spectre 和 Meltdown 等投机执行漏洞背后的微架构原理，以及如何通过硬件和软件协同设计来缓解这些风险。 本书适合对象： 计算机科学、电子工程、软件工程等专业的高年级本科生、研究生，以及希望深入理解计算机系统底层工作原理的软件工程师和系统架构师。要求读者具备一定的数字电路基础和汇编语言基础。

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