微机理论基础教程

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isbn号码:9787500552727
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具体描述

《计算机系统原理与实践》 图书简介 随着信息技术的飞速发展,计算机已成为我们工作、学习和生活中不可或缺的工具。然而,许多用户仅仅停留在应用层面,对计算机底层的运行机制和基本原理知之甚少。本书旨在填补这一知识鸿沟,为读者提供一套全面、深入且兼具实践性的计算机系统基础理论与应用教程。我们力求突破传统教科书的刻板印象,以清晰的逻辑和丰富的实例,引导读者构建起对现代计算机系统的完整认知框架。 第一部分:计算机的“骨架”——硬件系统深度解析 本部分将带领读者追溯计算机硬件发展的历史脉络,重点剖析现代冯·诺依曼体系结构下的核心组成部分。 第一章:数字逻辑基础与二进制世界的构建 计算机世界的基石是二进制。本章将详细阐述布尔代数、逻辑门(与、或、非、异或等)的原理及其在电路中的实现。我们将深入探讨组合逻辑电路(如编码器、译码器、多路选择器)和时序逻辑电路(如触发器、寄存器、计数器)的设计与工作流程。通过对这些基本单元的理解,读者将明白复杂的运算是如何从最简单的“开”与“关”中诞生的。此外,还将介绍数据在计算机内部的表示方法,包括定点数、浮点数的标准(如IEEE 754),以及字符编码(如ASCII与Unicode)的演变,为后续理解数据处理打下坚实基础。 第二章:中央处理器(CPU)的精妙设计 CPU是计算机的“大脑”。本章将聚焦于指令集架构(ISA)的设计哲学,对比RISC(精简指令集)与CISC(复杂指令集)的优劣。核心内容包括CPU的五大组成部分——算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器组、缓存存储器和内部总线。我们将详细解析指令的“取指—译码—执行—写回”周期(Fetch-Decode-Execute Cycle),并介绍提高CPU性能的关键技术,如流水线技术、超标量架构和分支预测。读者将学习到如何通过汇编语言的视角,理解高级语言是如何被转换成机器指令并最终在硬件上执行的。 第三章:存储器的层级结构与性能调优 存储系统是决定计算机整体性能的关键瓶颈之一。本章从内存层次结构(寄存器、高速缓存、主存、辅存)的视角,系统阐述数据存取的速度差异与成本权衡。重点讲解高速缓存(Cache)的工作原理,包括映射方式(直接映射、全相联、组相联)、替换策略(LRU、FIFO)以及写回/直写策略。通过对局部性原理(时间局部性和空间局部性)的深入探讨,读者将掌握如何从软件层面优化代码,以更好地利用CPU缓存,显著提升程序运行效率。同时,也将介绍主存(DRAM)的工作原理及其与内存控制器(IMC)的交互方式。 第四章:输入/输出(I/O)与系统互连 本章关注计算机如何与外部世界进行信息交互。我们将分析不同I/O设备(如硬盘、网络接口、显示器)的特性及其接口标准。重点讲解I/O控制方式,从程序查询、中断驱动到直接内存访问(DMA)。DMA机制是理解高效数据传输的关键,本章将详细解析DMA控制器的工作流程及其与CPU、总线之间的协同机制。此外,还会介绍系统总线(如PCIe)的结构、仲裁机制以及现代多核系统中缓存一致性(Cache Coherence)的维护方法,这对于理解多处理器系统的并行编程至关重要。 第二部分:软件的“灵魂”——操作系统与程序执行 硬件提供了运行环境,而操作系统则是管理和协调这一环境的“管家”。本部分将深入操作系统内核,探究程序是如何被加载、执行和管理的。 第五章:操作系统核心:进程与线程管理 进程是程序在内存中执行的实例。本章首先定义进程与线程的概念及其区别,介绍进程的生命周期和状态转换。重点讨论并发与并行,以及多道程序设计的基础。在进程调度方面,我们将详细分析先来先服务(FCFS)、短作业优先(SJF)、优先级调度、时间片轮转(Round Robin)等经典调度算法的优缺点及其适用场景。更进一步,本章将剖析线程的实现(用户级与内核级线程)以及线程同步与互斥机制(如互斥锁、信号量、管程),深入讲解并发编程中的“死锁”问题及其预防与避免策略。 第六章:内存管理与虚拟化 现代操作系统如何让多个程序共享有限的物理内存,并为每个程序提供一个“私有”的地址空间?答案在于虚拟内存。本章详细阐述分页(Paging)和分段(Segmentation)机制,阐明地址翻译的硬件支持——页表(Page Table)的结构。核心内容将集中在缺页中断(Page Fault)的处理流程,以及页面置换算法(如OPT、FIFO、LRU)的实现。通过对虚拟内存的理解,读者将清晰认识到虚拟地址与物理地址之间的转换过程,这是理解内存保护和内存共享的关键。 第七章:文件系统与数据持久化 文件系统是组织和管理存储设备上数据的方式。本章讲解文件系统的基本概念,包括文件、目录结构、访问控制列表(ACL)和文件操作的抽象。我们将对比不同类型的文件系统(如FAT、NTFS、Ext4)的设计思想,深入分析磁盘的组织结构,以及如何实现高效的文件读写,包括缓冲区的管理和文件内容的连续性分配策略。此外,还将探讨日志(Journaling)机制在保证文件系统事务一致性和崩溃恢复中的重要作用。 第八章:系统调用与程序与操作系统的交互 程序如何请求操作系统服务?通过系统调用(System Call)。本章将展示应用程序如何通过封装好的库函数(如POSIX接口)最终触发特权指令,进入内核态执行服务。我们将详细分析常见的系统调用,如文件I/O(`open`, `read`, `write`)、进程管理(`fork`, `exec`, `wait`)和信号处理。通过实际的编程案例,读者将能够清晰地追踪一个简单的C语言程序从编译、链接到最终运行,并与操作系统内核交互的完整路径。 第三部分:网络基础与系统性能优化 计算机不再是孤立的设备,网络通信是现代计算系统的核心能力。 第九章:网络通信基础模型与协议栈 本章介绍计算机网络的基本概念,从网络拓扑结构到数据传输的物理媒介。重点剖析TCP/IP协议栈的四层结构。细致讲解数据链路层(如MAC地址、以太网)、网络层(IP地址、路由原理)和传输层(TCP的可靠性机制、UDP的无连接特性)。特别是对TCP的三次握手与四次挥手、拥塞控制(如慢启动、拥塞避免)的机制,提供详尽的图解说明。 第十章:系统性能度量与调试工具 理论知识必须与实践相结合。本章将指导读者使用行业标准的性能分析工具来评估和优化系统。内容包括如何使用`top`、`vmstat`来监控CPU、内存和I/O负载;如何利用性能分析器(如`perf`)追踪函数调用开销和缓存未命中率;以及如何通过分析内核日志和系统调用跟踪工具(如`strace`)来诊断程序行为。本章强调“度量胜于猜测”的原则,指导读者建立科学的性能优化思维。 目标读者 本书适合计算机科学与技术、软件工程、信息安全等相关专业的本科生、研究生,以及希望深入了解计算机底层机制的软件工程师、系统管理员和硬件爱好者。阅读本书无需深厚的数学背景,但需要具备一定的C/C++编程基础。 本书特色 1. 软硬结合:系统地覆盖了从数字逻辑到操作系统内核,再到网络协议栈的完整计算机系统知识链。 2. 理论深度与实践广度兼顾:每一个核心概念都配有详细的逻辑推导和实际操作案例,确保读者不仅知其然,更知其所以然。 3. 面向未来:强调了多核、虚拟化、缓存一致性等现代系统面临的关键挑战,为读者未来学习分布式系统和高性能计算打下坚实基础。 通过对《计算机系统原理与实践》的学习,读者将能真正理解一台计算机是如何从硅片上的逻辑门,一步步演变成运行复杂应用的强大系统的,从而建立起扎实的计算机科学素养。

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读后感

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用户评价

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在我参加工作之前,我对微机这块的理解,基本停留在“用电脑”的层面。后来因为工作需要,我接触到了嵌入式开发,才发现自己对这个领域完全是门外汉。同事推荐了《微机理论基础教程》,抱着试试看的态度翻开,没想到就一发难顾了。这本书最让我赞赏的一点是,它非常注重基础知识的讲解。它不是那种上来就给你讲汇编语言,让你头疼不已的书。而是从最基本的概念讲起,比如什么是二进制、什么是数制转换,这些看似基础的东西,却是我之前从未真正理解透彻的。然后,它循序渐进地介绍微处理器的工作原理,包括指令的构成、指令的执行流程、存储器的组织方式等等。我特别喜欢书中对“寻址方式”的讲解,比如立即数寻址、寄存器寻址、直接寻址等等,它用非常形象的例子,让我理解了CPU是如何根据不同的指令,找到需要操作的数据。这对于我理解为什么有些代码会比另一些代码运行得更快,有了更深的认识。书中还涉及了中断的概念,并且讲解得非常透彻。我之前觉得中断就是一个让CPU暂停当前任务去处理其他事情的机制,但这本书让我明白,中断是微机系统中非常重要的一种事件处理机制,它对于实现多任务处理、响应外部事件等方面至关重要。书中对中断的产生、中断向量表、中断服务程序的编写都做了详细的介绍,让我对中断有了全新的认识。这本书的逻辑结构非常清晰,从基础概念到核心原理,层层递进,让我能够一步步地构建起对微机系统的完整认知。对于像我这样,想要系统性地学习微机理论知识的人来说,这本书无疑是提供了一条清晰的学习路径。

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我的专业是控制工程,在课程中会涉及到一些单片机的应用。虽然我对控制算法和系统集成有一定的了解,但对于微处理器内部的运作机制,一直感到有些模糊。《微机理论基础教程》这本书,恰好弥补了我这方面的知识短板。我最欣赏它在介绍CPU内部结构时的逻辑性。它从最基础的算术逻辑单元(ALU)开始,逐步讲解了数据通路、控制单元、寄存器等各个组成部分的功能,以及它们是如何协同工作的。我特别喜欢书中对“指令周期”的详细解析。它将一个指令的执行过程分解成取指令、指令译码、执行指令、写回结果等几个阶段,并详细说明了每个阶段CPU内部的状态变化和信号传输。这让我对CPU的“思考”过程有了非常直观的理解。此外,书中还对几种常见的寻址方式进行了清晰的阐释,比如立即数寻址、寄存器寻址、直接寻址、间接寻址等等。这对于理解程序如何访问和操作数据至关重要。这本书的语言风格比较严谨,但又不失清晰易懂,非常适合我们这些需要扎实掌握理论基础的学生。它为我理解单片机的底层原理,以及如何更有效地利用单片机来实现各种控制功能,提供了强有力的支持。通过阅读这本书,我不仅巩固了已有的知识,更学到了很多全新的、对我未来学习和工作都非常有价值的理论知识,让我对微机系统有了更全面、更深入的认识。

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收到!我将为您创作10段以读者口吻撰写的,关于《微机理论基础教程》的图书评价。每段评价都将超过300字,内容详尽,风格迥异,且绝不包含任何“未提及内容”的字样,力求自然,避免AI痕迹。 在我翻开《微机理论基础教程》之前,我其实对微处理器这个概念仅限于“电脑里面有个东西在跑”的模糊认知。我不是计算机专业的学生,工作也与此相去甚远,纯粹是出于一种“想了解点技术底层”的好奇心。市面上关于计算机的书籍琳琅满目,但很多都过于深入,动辄就是晦涩的汇编语言或者复杂的硬件设计,看得我头昏脑胀。直到我偶然发现了这本《微机理论基础教程》,我才感觉我找到了正确的起点。书的开篇并没有直接一头扎进二进制的海洋,而是从一个非常宏观的角度,为我描绘了微机系统的整体框架。它用一种循序渐进的方式,解释了什么是微处理器,它在整个计算机系统中扮演着什么样的角色,以及它与内存、输入输出设备之间是如何协同工作的。我特别喜欢它在介绍CPU核心概念时,并没有直接跳到晶体管级别,而是先从一个功能单元的角度,比如算术逻辑单元(ALU)、寄存器、控制单元出发,让我理解它们各自的作用。然后,才慢慢深入到指令集、时序等更具体的内容。这种由宏观到微观的讲解方式,极大地降低了我的学习门槛,让我能够逐步建立起对微机系统的整体理解,而不是被各种细节淹没。书中的插图和流程图也帮了我大忙,将抽象的概念形象化,比如CPU执行指令的几个阶段,通过图示一下子就清晰明了。我真的觉得,对于那些和我一样,想要从零开始了解微机的人来说,这本书绝对是入门的绝佳选择,它就像一位耐心的老师,一步步引导你走进微机世界的奇妙殿堂,让你不再觉得它是一个高不可攀的神秘存在。

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我是一名硬件工程师,日常工作中经常需要与各种微控制器打交道。虽然我能够熟练地使用示波器、逻辑分析仪等工具来调试硬件,但对于微处理器内部究竟是如何工作的,我始终觉得自己的理解还不够深入。《微机理论基础教程》这本书,为我提供了一个非常宝贵的理论补充。我被书中对CPU工作流程的细致分析所吸引。它不仅仅停留在CPU的功能层面,而是深入到了指令的获取、解码、执行以及结果的写回等一系列微观过程。书中对“流水线”技术的介绍,让我对如何提高CPU的执行效率有了更深刻的认识,它就像一个高效的生产线,能够同时处理多条指令的不同阶段,从而大大缩短了整体的执行时间。我特别欣赏书中对内存管理单元(MMU)的讲解。在现代操作系统中,MMU扮演着至关重要的角色,它负责虚拟地址到物理地址的转换,以及内存访问权限的控制。这本书用清晰的图示和文字,将MMU的工作原理剖析得淋漓尽致,让我能够更好地理解操作系统是如何管理内存的。此外,书中对中断和异常处理机制的讲解,也让我对系统的鲁棒性和响应速度有了更深的理解。它让我明白,当发生意外情况时,CPU是如何被中断,并跳转到相应的处理程序来解决问题的。这本书的内容非常扎实,逻辑严谨,对于我这样需要深入理解微机原理的硬件工程师来说,无疑是一本极具价值的参考书,它能够帮助我更好地理解硬件设计,以及软件与硬件之间的协同工作。

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作为一名已经工作多年的IT从业者,我曾经接触过各种各样的技术书籍。但坦白说,《微机理论基础教程》这本书,是我近年来读到的最让我感到“醍醐灌顶”的一本。我之前一直认为,对于我们这些做软件开发的人来说,深入了解微机原理并不是必需的。但这本书,彻底改变了我的看法。它让我明白,对底层原理的理解,能够极大地提升我们编写代码的效率和质量。书中对“缓存”机制的讲解,让我意识到,原来CPU访问内存的速度如此之慢,而缓存的存在,就是为了弥补这种速度差异,从而大大提高程序的运行速度。这让我对如何优化代码,以及如何利用好CPU的缓存,有了新的思考方向。我特别欣赏书中对“指令流水线”和“超标量架构”的讲解。这些概念让我明白了为什么现代CPU的性能如此强大,它们是如何通过并行处理和指令重排等技术,来最大化地发挥计算能力。这对于我理解一些高性能计算的优化技巧,提供了非常重要的理论基础。这本书的内容非常丰富,涵盖了微处理器架构、指令集、存储器层次结构、中断处理等多个方面。但最难能可贵的是,它将这些复杂的概念,都解释得清晰易懂,并且与实际应用相结合,让我能够学以致用。这本书不仅仅是一本理论教程,更是一本帮助我们提升技术能力的“内功心法”。

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对于这本书的评价,我只想用“惊喜”来形容。我之所以购买《微机理论基础教程》,是因为我是一名业余电子爱好者,经常会涉及到一些微控制器(MCU)的项目。虽然我能成功地让LED闪烁,让传感器读取数据,但对于MCU内部到底是怎么工作的,信号是如何产生的,指令又是如何被执行的,我一直感到非常困惑。我之前尝试过阅读一些更专业的芯片手册,但那些充斥着专业术语和电路图的文档,对我来说简直是天书。这本书的出现,就像及时雨一样。它并没有回避底层原理,但却用一种非常易于理解的方式,将微处理器的工作原理娓娓道来。我特别欣赏它对指令周期、总线、中断等概念的阐释。书中通过生动的比喻,将CPU的执行过程比作一个忙碌的工厂,指令就像生产订单,而各个部件则像生产线上的工人,各司其职,高效运转。尤其是关于中断的讲解,我之前一直觉得是一个非常神秘的东西,似乎能让CPU在忙碌中腾出手来处理其他事情。这本书用一个生动的生活场景,比如你在做饭的时候,突然有人敲门,你必须暂停做饭去开门,然后再回来继续做饭。这个比喻让我瞬间明白了中断的工作机制,以及它在提高系统效率方面的重要性。此外,书中还对不同类型的指令(如数据传输指令、算术指令、逻辑指令、控制转移指令等)进行了详细的分类和讲解,并配有简单易懂的示例,让我能够逐步掌握如何“指挥”微处理器进行各种操作。这本书的价值,对于我这样的实践者来说,不仅仅是理论上的提升,更是能够让我对未来设计更复杂的嵌入式系统,打下坚实的基础,让我能够更自信地去探索和创造。

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作为一名在校大学生,我接触过很多计算机相关的课程,但老实说,关于微机原理的部分,一直是我学习中的一个难点。《微机理论基础教程》这本书,可以说是及时地解决了我的燃眉之急。在我看来,这本书最大的优点在于它的“体系化”和“由浅入深”。它没有把微机理论拆分成零散的知识点,而是构建了一个完整的知识体系。从最基础的二进制数制、逻辑门电路讲起,然后逐步过渡到CPU的内部结构、指令系统、存储器工作原理、输入输出接口等等。这种结构非常有利于我们建立起一个清晰的学习脉络。我尤其赞赏书中对CPU内部结构的讲解。它不仅仅是罗列出各个寄存器的名称,而是详细解释了它们的作用,以及在指令执行过程中扮演的角色。比如,程序计数器(PC)是如何指示下一条指令的位置,指令寄存器(IR)是如何存放当前正在执行的指令,累加器(ACC)是如何暂存运算结果等等。这些细节的讲解,让我能够更深入地理解CPU的“思考”过程。此外,书中对指令集架构的介绍,也让我对不同指令的特点和用途有了更清晰的认识。它没有仅仅停留在理论层面,而是通过大量的示例,展示了如何使用不同的指令来完成特定的任务。这对于我理解汇编语言,以及将来学习更底层的编程,打下了坚实的基础。这本书的语言也比较通俗易懂,即使遇到一些比较复杂的概念,作者也能够通过类比或者举例的方式,将其解释得清晰明了。对于我们这些还在学习阶段的学生来说,这无疑是一本非常宝贵的参考资料。

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坦白说,我拿到《微机理论基础教程》的时候,并没有抱太高的期望。我以为这又是一本枯燥乏味的教科书,充斥着大量我不理解的专业术语和晦涩的公式。我是一名软件开发者,主要的工作是编写应用程序,对于硬件底层的了解非常有限。然而,这本书彻底颠覆了我的看法。它以一种极其平易近人的方式,打开了我对微机世界的认知。我一直觉得,要理解软件是如何运行在硬件之上的,就必须对硬件有一定的了解。而这本书,恰恰弥补了我这方面的知识空白。它从微处理器的基本结构开始,一步步讲解了CPU的内部组成,比如指令寄存器、程序计数器、累加器等等,以及它们是如何协同工作的。我特别喜欢书中关于“总线”的讲解。之前我只知道电脑里有各种线连着,但具体有什么作用,我一无所知。这本书用“信息高速公路”的比喻,清晰地解释了地址总线、数据总线和控制总线的功能,让我明白数据是如何在CPU、内存和外设之间传输的。更重要的是,它还深入讲解了指令的执行过程,包括取指令、译码、执行、写回等几个阶段,并详细解释了各种指令的含义和用法。这对于我理解程序是如何被CPU一步步执行的,非常有帮助。这本书让我意识到,即使是复杂的软件,最终也是由一系列简单的指令组成的,而这些指令的执行,都离不开微处理器的精妙设计。这本书为我提供了一个全新的视角,让我能够更好地理解我所编写的软件在底层是如何工作的,从而写出更高效、更健壮的代码。

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我一直对计算机的“大脑”——微处理器——感到非常好奇。我是一名普通用户,对电脑的了解仅限于日常办公和娱乐。但内心深处,我总想知道,我们输入的指令是如何被电脑理解并执行的,那些精彩的画面和流畅的操作背后,到底隐藏着怎样的奥秘?《微机理论基础教程》这本书,恰恰满足了我这份好奇心。它没有用过于学术的语言,而是用一种非常亲切、易懂的方式,为我揭开了微机世界的面纱。我最喜欢的地方在于,它并没有把微处理器妖魔化,而是将其分解成一个个容易理解的功能模块,比如逻辑运算单元、数据存储单元、控制单元等等,并清晰地阐述了它们各自的职责。书中对“时序”的概念讲解得尤为精彩,我之前一直觉得这只是个时间上的概念,但这本书让我明白,时序在微处理器的工作中起着至关重要的作用,它决定了各个部件如何协同工作,确保指令能够被正确地执行。书中还通过大量的图示和流程图,将抽象的指令执行过程具象化,比如CPU读取内存中的指令,然后进行译码,最后执行指令,这个过程被分解成一步步的清晰展示,让我这个非专业人士也能轻松理解。此外,书中还涉及了内存的分类和访问方式,以及输入输出设备的接口原理。这些内容让我对整个微机系统的构成有了更全面的认识,不再仅仅局限于CPU本身。这本书让我觉得,原来微机系统并不是那么高深莫测,只要掌握了核心的理论基础,普通人也能对其有一个清晰的认识。它就像一本打开新世界大门的钥匙,让我对身边的科技有了更深的理解和敬畏。

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我对计算机的历史一直很感兴趣,尤其是那些推动技术发展的关键性发明。微处理器无疑是其中最重要的一个。所以,当我看到《微机理论基础教程》这本书时,我便毫不犹豫地购买了。我原以为这本书会非常枯燥,充斥着各种我无法理解的技术术语。但令我意外的是,这本书的叙述方式非常生动有趣。它并没有仅仅停留在技术的层面,而是通过讲述微处理器的发展历程,来引导读者理解其核心原理。我特别喜欢书中关于Intel 8086处理器的一些介绍。它详细地解释了8086处理器是如何一步步演进的,以及它在当时的技术条件下是如何克服各种挑战的。这种历史的视角,让我能够更好地理解微处理器设计的演变和进步。书中还对不同的指令集架构,比如CISC和RISC进行了对比分析,让我能够理解它们各自的优缺点,以及为何会在不同的应用场景下得到广泛应用。此外,书中还对存储器的分类和工作原理进行了详细的介绍,包括SRAM、DRAM以及各种存储器技术的发展。这让我对计算机的“记忆”是如何工作的,有了更深的认识。这本书不仅仅是关于微机理论的教程,更是一本关于计算机技术发展史的精彩读物。它让我不仅了解了“是什么”,更了解了“为什么”,从而对微处理器及其背后的技术有了更深刻的理解和 appreciation。

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