Principles of Computer Organization and Assembly Language pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:Patrick Juola

出品人:

页数:439

译者:

出版时间:2007-1-8

价格:USD 137.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780131486836

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
• 组成原理
• 计算机组织
• 汇编语言
• 计算机体系结构
• 数字逻辑
• 计算机原理
• 底层编程
• 硬件原理
• 系统编程
• x86汇编
• 计算机基础

深入计算机系统的基石：现代操作系统与高级编程范式 本书聚焦于操作系统（OS）的核心设计理念、高级编程范式以及如何利用现代处理器架构进行高效软件开发的深度探讨。 旨在为有志于成为系统级软件工程师、嵌入式开发者或高性能计算专家的读者提供一套全面且深入的理论框架与实践指导。我们摒弃对基础汇编指令集或早期硬件结构的冗余介绍，转而将重点放在当前主流64位多核处理器环境下的复杂系统交互与优化策略。 第一部分：现代操作系统的架构与设计哲学 本部分深入剖析了当前主流操作系统（如Linux内核、Windows NT内核的演进）在设计上所遵循的核心原则。我们不仅仅停留在“进程”和“线程”的定义层面，而是着重分析了现代操作系统如何应对多核并行性、能效管理和虚拟化带来的复杂挑战。 1. 进程与线程的下一代管理： 细粒度并发控制： 详细探讨了无锁数据结构（Lock-Free/Wait-Free Data Structures）的设计与实现，包括基于CAS（Compare-and-Swap）操作的循环队列、栈以及更复杂的内存区管理技术。分析了在NUMA（非一致性内存访问）架构下，如何通过策略性地分配线程亲和性（CPU Affinity）和内存节点，最小化跨核通信延迟。 上下文切换的成本分析与优化： 深入研究了现代处理器如何通过硬件辅助机制（如硬件上下文保存寄存器组、微操作缓存）来加速上下文切换。对比了内核态与用户态线程（如用户级线程库Green Threads的现代变体）的性能权衡。 异步I/O模型的高级应用： 侧重于`io_uring`（在Linux中）和IOCP（在Windows中）等新型异步I/O框架的底层机制。解释了如何通过事件驱动和零拷贝（Zero-Copy）技术，实现高吞吐量的网络和存储服务，并探讨了阻塞/非阻塞I/O模型向基于缓冲的异步模型迁移的系统收益。 2. 内存管理与虚拟化： 页表结构的深入解析与TLB优化： 不仅介绍二级或三级页表的结构，更着重分析了多层页表遍历对性能的影响。重点讲解了Translation Lookaside Buffer (TLB) 的工作原理、失效处理机制（TLB Shootdown）以及如何通过程序设计避免不必要的TLB压力。 地址空间布局随机化（ASLR）的实现细节： 分析了ASLR在现代安全实践中的作用，以及其对程序加载器（Loader）的要求。探讨了在特定场景下（如内核模块加载、性能敏感代码）如何适度降低ASLR的熵值以确保可预测性。 硬件辅助虚拟化（VT-x/AMD-V）与Hypervisor设计： 概述了Type-1和Type-2 Hypervisor的架构差异。重点解析了虚拟化中的“陷阱与模拟”（Trap-and-Emulate）机制，以及通过EPT（Extended Page Tables）或RVI（Rapid Virtualization Indexing）实现I/O和内存虚拟化的效率提升。讨论了安全隔离（如SMM、SMAP/SMEP）对访客操作系统性能的影响。 第二部分：高级编程范式与编译器优化 本部分将视野从操作系统内核转移到上层应用程序，重点关注如何利用现代硬件特性来编写高度优化、可维护且面向未来的软件。 3. 内存模型与并发编程的理论前沿： C++内存模型（C++11/17/20）的细致解读： 对`std::atomic`、`std::memory_order`的每个级别（Relaxed, Acquire, Release, Seq_Cst）进行详尽的语义分析和底层硬件指令映射。通过实际案例展示“数据竞争”的模糊性，以及如何通过严格的顺序一致性保证正确性。 Java/Go等语言的并发模型对比： 对比JVM的垃圾回收器（如G1, ZGC）如何管理堆内存，以及其并发操作的原子性保证。分析Go语言的Goroutine调度器如何巧妙地在M:N模型下实现高效的用户级线程管理。 并行算法设计模式： 引入“分而治之”、“MapReduce”以及更先进的“任务图并行”模型。重点介绍并行算法库（如Intel TBB, OpenMP）中隐藏的同步机制和负载均衡策略。 4. 编译器与链接器的深度交互： LLVM/GCC的中间表示（IR）分析： 介绍LLVM IR在现代编译器优化流程中的核心作用。分析特定的优化通道（Passes），例如死代码消除、循环展开、向量化（SIMD）提升是如何基于IR实现的。 数据布局与结构体对齐的性能影响： 探讨结构体和类的内存布局如何直接影响缓存线填充效率（Cache Line Utilization）。展示如何使用`__attribute__((packed))`或C++20的`std::contiguous_storage`等特性来手工干预布局以优化访问局部性（Locality）。 链接时优化（LTO）与程序剖析： 解释LTO如何通过在链接阶段对整个程序进行全局优化，打破了传统编译单元的限制。介绍使用性能分析工具（如`perf`, VTune）来识别热点代码，并利用编译器反馈（PGO）驱动的重新编译来提升性能。 第三部分：系统级性能分析与优化实践 本部分是理论与实践的桥梁，教授读者如何像系统架构师一样思考，并使用专业工具诊断和解决性能瓶颈。 5. 处理器缓存与指令流水线的微架构分析： 多级缓存的层次结构与局部性原理的量化： 详细描述L1指令缓存（L1i）、L1数据缓存（L1d）、L2、L3缓存的容量、延迟和关联性。通过计算缓存未命中率（Miss Rate）来评估代码的缓存友好性。 分支预测器的工作原理与误判惩罚： 解析现代分支目标缓冲区（BTB）和全局/局部历史寄存器如何工作。展示无分支编程（Branchless Programming）技术，如使用条件移动指令（CMOV）或查找表，来避免昂贵的分支预测错误惩罚。 SIMD/向量化指令集应用： 深入讲解AVX-512（或ARM Neon）的寄存器宽度、掩码操作（Masking）和广播（Broadcasting）机制。提供将传统循环转换为高效向量化代码的系统方法论，重点关注数据对齐要求。 6. I/O子系统的高级优化： 网络协议栈的内核旁路技术： 探讨DPDK（Data Plane Development Kit）和XDP（eXpress Data Path）等技术如何将网络数据包处理从通用内核路径中剥离出来，实现用户态的超低延迟处理。 块存储层面的优化： 分析NVMe协议的内部结构，包括提交队列（Submission Queue）和完成队列（Completion Queue）的设计。探讨数据库和文件系统如何通过I/O合并（I/O Merging）和预读/写回策略来优化SSD的随机访问性能。 本书的特点在于其对现代体系结构（多核、异构计算）的深度关注，以及对软件设计哲学中“性能、安全、可维护性”三者之间动态平衡的深刻理解。 它要求读者具备扎实的C/C++基础，并乐于深入研究操作系统和编译器的内部细节。

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从宏观的角度来看，这本书的学术视野非常开阔，它成功地将计算机组织这门看似僵硬的学科，赋予了鲜活的生命力。它不仅仅停留在对某一代特定架构（如经典的x86或MIPS）的描述上，而是着重提炼了跨越不同硬件平台的、永恒不变的计算核心思想。书中关于指令集设计哲学、内存层级结构优化背后的权衡取舍，以及现代处理器如何通过激进的乱序执行和分支预测来对抗冯·诺依曼瓶颈的探讨，都展现了作者深厚的洞察力。这种对“为什么是这样设计”而非仅仅“它是什么”的深入挖掘，使得读者在学习具体的指令语法之后，依然能够保持对整个计算系统设计的全局观和批判性思维，这对于任何希望在计算机领域走得更远的人来说，都是无价之宝。

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全书的章节编排体现了一种极高的逻辑自洽性和递进性，简直是教科书结构艺术的典范。它没有急于求成地堆砌复杂的指令集知识，而是稳扎稳打地从最基础的二进制表示和逻辑门开始铺陈。每深入一个层次，都会立刻回顾和强化前一章节所学，形成了一个牢固的知识螺旋上升结构。比如，在讲解完内存寻址模式后，紧接着就通过具体的汇编示例来展示这些模式在实际跳转和数据存取中的威力。这种紧密的“理论—实践—巩固”的循环模式，使得知识的吸收不再是线性的灌输，而是一种内生的、有机的构建过程。我发现，当我遇到某个复杂概念感到困惑时，只要回头翻阅前几页，总能找到那个最初被我忽略的、作为基石的关键点，这极大地增强了我在面对难题时的信心和解决问题的路径依赖。

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这本书的实践案例部分，可以说是其区别于市面上大多数同类教材的“杀手锏”。作者并未满足于提供一些简单到失去意义的“Hello World”级别的代码片段，而是精心设计了一系列富有挑战性且贴近真实工程需求的迷你项目。这些项目涵盖了从基本的输入输出处理到更复杂的子程序调用与栈帧管理，每一个例子都配有详尽的注释和运行结果分析。更绝妙的是，对于一些常见的“陷阱”或“误区”，作者会特地用醒目的提示框进行标注，并分析导致这些错误的深层原因，这比单纯的正确代码展示要宝贵得多。这让我感觉自己不是在看一本静态的参考手册，而是在与一位经验丰富的导师进行“结对编程”，随时随地都能从书中获取实战经验的提炼与总结，大大缩短了理论到实践之间的鸿沟。

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这本书的装帧设计实在令人眼前一亮，封面采用了深邃的宝蓝色作为主色调，搭配着银灰色的字体，给人一种既专业又典雅的感觉。初次拿到手里，就能感受到纸张的厚实和质感，边缘裁切得非常平整，即使是经常翻阅，也不容易出现磨损。内页的印刷质量也无可挑剔，墨色清晰锐利，使得那些复杂的电路图和汇编代码块看起来格外清晰，阅读起来眼睛非常舒适。尤其要提的是，书中对于图示的排版处理得非常巧妙，复杂的概念通过精美的示意图进行可视化呈现，极大地降低了理解的门槛。这种对细节的极致追求，体现了出版方对知识传播的尊重，让整个阅读体验从一开始就充满了愉悦感，为接下来的深度学习打下了坚实的物质基础。这本书的实体书本身就是一件值得收藏的艺术品，不仅仅是一本教科书，更像是工程师案头必备的精装工具书。

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初读这本书的绪论部分，我就被作者那种深入浅出的叙事风格深深吸引住了。它不像许多技术书籍那样，一上来就抛出晦涩难懂的术语和公式，而是选择了一个非常人性化的切入点，仿佛一位经验丰富的老教授在循循善诱地引导初学者进入计算机科学的殿堂。作者似乎深谙读者的心理，总能在关键节点设置一些引人深思的小故事或者历史背景，将枯燥的硬件知识与宏大的计算发展史巧妙地联系起来。这种叙述方式极大地激发了我探索底层原理的兴趣，让我不再满足于仅仅停留在应用层的调调代码，而是渴望了解“代码是如何真正跑起来的”这个终极问题。特别是对早期的冯·诺依曼结构和现代CPU流水线设计的对比阐述，逻辑链条之清晰，论证过程之严密，让我这个非科班出身的读者也能迅速抓住核心要害，感觉自己仿佛一下子站在了计算理论的制高点上进行俯瞰。

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