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出版者:Publication Services, Inc.

作者:V.Carl Hamacher

出品人:

页数:640

译者:

出版时间:1996

价格:204.00元

装帧:Paperback

isbn号码:9780071143233

丛书系列:

图书标签:

• 计算机组织
• 计算机体系结构
• 数字逻辑
• 汇编语言
• 国际版
• 教材
• 计算机科学
• 电子工程
• 计算机硬件
• 高等教育

《代码的奥秘：深入理解计算机结构与工作原理》 这是一本致力于揭示现代计算机如何从最基础的逻辑门一路构建到执行复杂程序的恢弘画卷。本书不涉及特定版本的国际化计算机组织教材，而是将焦点完全置于计算机系统底层运作的普适性原理。我们将带领您探索计算机硬件的灵魂，理解那些构成我们数字世界的基石。 数字逻辑与门电路：思维的起点 一切计算的根源在于二进制，而二进制操作的实现则依赖于逻辑门。本书将从最基本的非门（NOT）、与门（AND）、或门（OR）开始，逐步深入到更复杂的与非门（NAND）、或非门（NOR）、异或门（XOR）以及同或门（XNOR）。您将学习如何利用这些基本元件组合出逻辑表达式，理解它们如何在电信号的驱动下进行判断和运算。通过构建半加器、全加器，我们将演示如何实现最基础的二进制加法，为后续复杂的算术逻辑单元（ALU）打下坚实的基础。 组合逻辑与时序逻辑：构建复杂功能 在掌握了基本逻辑门之后，我们将进入组合逻辑电路的设计。您将学习如何使用卡诺图（Karnaugh Maps）或布尔代数化简方法来优化逻辑电路，从而提高效率并减少硬件资源。我们将深入讲解多路选择器（Multiplexers）和译码器（Decoders）等关键组合逻辑部件，理解它们在数据选择和地址解码中的核心作用。 随后，我们将转向时序逻辑电路，这是计算机能够“记忆”和“保持状态”的关键。本书将详细介绍触发器（Flip-Flops），包括D触发器、JK触发器、T触发器和RS触发器，阐述它们如何存储单个比特的信息。在此基础上，我们将构建寄存器（Registers）用于暂存数据，计数器（Counters）用于序列生成，以及移位寄存器（Shift Registers）用于串行数据处理。这些时序逻辑单元是构建CPU内部状态和数据流的关键组件。 数据通路与控制器：计算机的大脑与神经 CPU（中央处理器）是计算机的指挥中心，其核心由数据通路和控制器组成。我们将详细解析数据通路的设计，理解指令执行过程中数据如何在不同的寄存器、ALU和内存之间流动。您将学习到指令流水线（Pipelining）的概念，了解如何通过并行执行指令的不同阶段来提升CPU的执行效率。 控制器是CPU的“大脑”，它根据指令的类型和当前的状态，生成控制信号来协调数据通路中的各个部件。我们将探讨微程序控制器（Microprogrammed Control）和硬连线控制器（Hardwired Control）两种设计方式，理解它们各自的优缺点。您将学习如何设计一个简单的指令集体系结构（ISA），并为其编写微代码或设计硬连线控制逻辑。 存储器系统：数据的归宿 计算机的性能在很大程度上取决于其存储器系统的效率。本书将对不同类型的存储器进行详尽的分析，从速度最快的寄存器，到高速缓存（Cache Memory），再到主存储器（RAM），以及容量巨大但速度较慢的二级存储（如硬盘）。我们将深入讲解缓存的工作原理，包括缓存的组织方式（直接映射、全关联、组相联）、写策略（写回、写穿）以及替换算法（LRU、FIFO）。您将理解缓存是如何通过局部性原理来减少内存访问延迟，从而提升整体系统性能的。 输入输出（I/O）系统：与外界的沟通 计算机并非孤立的系统，它需要与外部设备进行交互。我们将探讨I/O系统的工作原理，包括不同的I/O接口技术（如并行接口、串行接口）和I/O数据传输方式（如程序控制I/O、中断驱动I/O、直接内存访问DMA）。您将了解I/O设备如何通过总线连接到CPU和存储器，以及CPU如何通过I/O控制器来管理和控制外部设备的读写操作。 指令集体系结构（ISA）：计算机的语言 指令集体系结构（ISA）定义了CPU能够理解和执行的所有指令的集合，它构成了软件与硬件之间的接口。本书将介绍RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）两种主要的ISA设计思想，并分析它们在指令格式、寻址模式、寄存器使用等方面的差异。您将学习如何阅读和理解机器语言指令，并理解不同的指令如何映射到CPU内部的硬件操作。 体系结构演进与并行性：面向未来 最后，我们将展望计算机体系结构的发展趋势，探讨多核处理器、GPU（图形处理器）以及向量处理器等并行计算技术。您将了解如何通过多线程、多进程等技术来充分利用现代多核处理器的计算能力，以及不同类型的并行架构在处理不同类型任务时的优势。 谁适合阅读此书？ 无论您是计算机科学、电子工程、软件工程的学生，还是对计算机底层运作充满好奇的技术爱好者，亦或是希望深入理解高性能计算的开发者，《代码的奥秘》都将是您不可或缺的指引。它将带您穿越从简单逻辑门到复杂CPU的旅程，让您真正理解“运行”的含义。

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与其他市面上流行的那些注重“应用层”和“软件工程”的读物相比，这本《International Edition Computer Organization》简直就是一股来自冰冷、纯粹的硅谷深处的寒流。它毫不留情地将读者暴露在硬件的赤裸现实之下，不给你任何花哨的框架或框架封装好的便捷工具。我记得有一次，我尝试将书中的一个关于流水线冲突的理论模型应用到我正在调试的一个嵌入式项目上，结果发现，理论模型虽然完美，但现实中的时序限制和硬件副作用完全不在作者的讨论范围之内。这并非是书的缺陷，而是其立场的鲜明——它追求的是“为什么是这样”，而非“如何使用它”。这本书对底层时序约束的描述，达到了近乎偏执的程度，每一个时钟周期、每一个控制信号的变化都被细致地刻画出来。这使得这本书成为了一个绝佳的“反向工程”工具书，当你遇到那些匪夷所思的系统级错误，那些编译器或操作系统都无法解释的奇怪延迟时，翻开这本书的特定章节，你往往能找到最原始的、最底层的解释。阅读它需要一种“逆向思维”，你必须把自己想象成那个设计芯片的工程师，而不是最终使用软件的程序员。这种极端的专注度，让它在我的书架上占据了一个非常独特的生态位：它是我的“真理之眼”，用来穿透一切上层抽象的迷雾。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴，那种深邃的蓝色调配上银色的字体，立刻就给人一种专业而又充满未来感的印象。我是在一家略显陈旧的二手书店里发现它的，当时周围都是些泛黄的旧书，唯独它，散发着一种近乎崭新的光泽。翻开扉页，首先映入眼帘的是作者那句略带哲学意味的引言，大意是关于数字世界的基石如何构建我们的现实生活，这一下子就抓住了我的好奇心。书的装帧极其考究，纸张的质感厚实而细腻，即使是用来画草图或标记重点，手感也比那些市面上常见的轻飘飘的教材要好上太多。不过，说实话，初次接触这本书时，那种排山倒海般涌来的专业术语和严谨的逻辑结构，确实让我有些措手不及。我原以为这会是一本可以快速浏览、了解个大概的入门读物，结果却是像踏入了一座精心设计的知识迷宫，每走一步都需要细细辨认方向。它不像有些科普读物那样用大量的比喻来软化技术概念，而是直接将核心机制赤裸裸地呈现在你面前，那种坦诚的态度，我个人非常欣赏，但同时也意味着读者必须投入大量的时间去消化每一个章节。这本书的排版也很有意思，大量的图表穿插在文字之间，但这些图表往往不是简单的示意图，而是包含着复杂数据流向和控制逻辑的精密工程蓝图，阅读时，我常常需要侧过身子，甚至用尺子来辅助追踪那些复杂的线路，才能真正理解指令是如何在处理器中流转的。这绝对是一本需要你沉下心来，把咖啡续满，准备好迎接一场硬核技术挑战的书籍。

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从实用性的角度来看，这本书的价值更像是一份需要不断研习和回顾的参考手册，而非一次性的通读读物。它最让我印象深刻的是其中关于性能分析和优化策略的讨论，那些内容并非停留在教科书式的“增加并行度就能提升性能”这种泛泛之谈，而是深入到了资源竞争、分支预测失误惩罚的量化分析层面。作者提供了一套衡量不同优化手段对实际CPI（Cycles Per Instruction，每条指令周期数）影响的数学模型，虽然推导过程相当复杂，但一旦你掌握了这种思维框架，你就能用更精确的语言去和硬件工程师进行对话。然而，这本书的“原生态”也意味着它在辅助学习资源方面显得相对匮乏。它几乎没有提供配套的在线习题库，也没有结构化的自测单元，更不用提那些可以一键运行的仿真环境。这本书期望的是读者能够自己动手，根据书中的逻辑描述，去搭建自己的小型CPU模型或至少是编写能模拟特定硬件行为的软件。这使得这本书的学习曲线异常陡峭，它更像是为那些已经具备一定编程基础，并渴望从根本上理解计算机“为什么”这么设计的进阶学习者准备的“硬核装备”，而不是给刚入门的电子工程或计算机科学专业的本科新生准备的“友好向导”。它要求读者带着问题来，并准备好在书中寻找极其精确的、而非模糊的答案。

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这本书的叙述风格简直就是一场风格的“大冒险”，它不像传统教材那样循规蹈矩地从最小的逻辑门讲起，而是跳跃性地从高级指令集的并行处理机制入手，随后又猛地扎进汇编语言的底层细节，等你适应了这种节奏，它又会抛出一个关于内存分层管理的深刻见解。这种非线性叙事的处理方式，对于初学者来说，无疑是一场灾难，我几乎每隔几页就要停下来，翻回前面的章节去查找某个刚刚跳出来的缩写词的定义。然而，正是这种看似混乱的结构，却意外地勾勒出了一幅宏大而又相互关联的计算机系统全景图。作者似乎是在暗示，理解计算机的运作，不能被线性的时间轴所束缚，而是要理解各个子系统如何同时、并行地相互作用。例如，在讲解缓存一致性协议的那一章，作者并没有用大段的文字去论述，而是构建了一个极其复杂的场景模拟，通过一个动态的“棋局”来展示多个处理器如何争夺同一块数据，那种紧张感和逻辑的严密性，让我仿佛不是在读书，而是在观看一场高速运转的精密仪器在运行。我必须承认，我花了整整一个周末才勉强理清了某一特定章节中描述的数据路径，但一旦那种“啊哈！”的顿悟时刻来临，那种对整个计算过程的掌控感，是其他任何理论书籍都无法给予的。这本书的难度，与其说是在考察知识的掌握程度，不如说是在考验读者的思维韧性和逻辑联想能力。

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这本书的“国际版”特性，在细节上体现得淋漓尽致，尤其是在案例选择和标准化参考模型的使用上。它似乎刻意避开了任何特定厂商的专有架构偏见，而是广泛引用了如MIPS、RISC-V等具有学术普适性的指令集架构作为教学范例。这种广度带来的好处是显而易见的：无论你未来是专注于ARM、x86还是其他新兴架构，书中所建立的计算模型和设计哲学都是共通的基石。然而，这也带来了一个小小的弊端——对于那些只对某一特定主流平台有迫切需求的读者来说，书中为了保持中立性而提供的多套等效实现方案，可能会让人感到信息过载。举个例子，在讲解I/O寻址模式时，作者同时对比了内存映射I/O和端口映射I/O的优劣，并分别给出了不同架构下的伪代码示例。这无疑是全面且严谨的，但对于时间有限的学生而言，这可能意味着需要做大量的筛选工作。我个人更喜欢它在讨论异常处理和中断向量时所展现出的那种跨平台的一致性描述，它清晰地阐述了“中断发生”这一物理事件，如何被不同硬件平台转化成可供软件响应的特定逻辑序列，这种对底层机制的深刻洞察，是任何仅关注软件接口的书籍无法比拟的。

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