Computer Organization, Design, and Architecture pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Press Inc

作者:Sajjan G. Shiva

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2007-10-22

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9781420064032

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
• 处理器设计
• 存储系统
• 计算机硬件
• 并行计算
• 流水线
• 缓存

图书简介：深入探索计算机系统的基石与未来 书名：[此处应填写您希望的图书名称，例如：《现代计算系统原理与实践》] 作者：[此处应填写作者姓名] 出版社：[此处应填写出版社名称] --- 前言：超越表象，直击计算核心 在信息技术飞速发展的今天，我们对计算机的依赖达到了前所未有的高度。然而，当我们日常使用智能手机、高性能服务器或嵌入式设备时，很少有人会深入探究其内在的运行机制。本书旨在填补这一知识鸿沟，为读者提供一个全面、深入且与时俱进的视角，剖析现代计算系统的设计哲学、底层实现、性能优化以及面向未来的架构演进。 本书的宗旨是，让读者不仅“知道”计算机如何工作，更要“理解”为什么它们被设计成这个样子，以及在面对日益增长的计算需求时，我们应如何进行创新性的架构设计。我们聚焦于那些驱动计算革命的核心概念、关键技术和工程权衡，而非仅仅停留在表面的软件应用层面。 --- 第一部分：计算的基石——从指令到流水线 本部分将带您回溯至计算的本源，构建坚实的理论基础。 第一章：数字逻辑与数据表示的精妙 我们将从最基础的布尔代数和逻辑门开始，逐步构建加法器、多路选择器和寄存器等基本逻辑单元。重点在于数据表示的抽象层次：从定点数到浮点数的标准（IEEE 754），以及在有限位宽下如何处理溢出、精度损失等实际问题。更进一步，我们会探讨如何利用硬件描述语言（HDL，如Verilog或VHDL）对这些基础组件进行建模和验证，为后续的系统级设计打下基础。 第二章：指令集架构（ISA）：硬件与软件的契约 ISA是连接软件与硬件的桥梁。本章将深入分析主流ISA的设计原则，如RISC（精简指令集）与CISC（复杂指令集）的哲学差异及其对功耗和性能的影响。我们将详细剖析指令的格式、寻址模式、操作码设计，以及过程调用和中断处理机制。特别关注现代ISA扩展（如向量指令集或特定领域的加速指令）如何应对并行计算的挑战。 第三章：单周期与多周期处理器设计 从理论模型到初步实现。本章首先构建一个简化的单周期处理器模型，揭示指令执行的全部流程。随后，我们将引入多周期设计，通过引入状态机和控制单元来提高时钟频率和资源利用率。这部分内容强调了时序逻辑、控制信号生成的复杂性，并引入时钟域的概念。 第四章：深度解析指令流水线技术 流水线是现代高性能处理器提高吞吐量的核心手段。我们将详细剖析五级（或更多级）流水线的结构，如取指、译码、执行、访存和写回。重点讲解流水线冒险的分类（数据冒险、控制冒险、结构冒险）及其解决策略，如转发（Bypassing）技术和分支预测器的工作原理。本章会结合真实处理器的设计案例，展示如何通过精细的硬件结构来规避或缓解这些性能瓶颈。 --- 第二部分：存储器的层级结构与性能瓶颈 计算速度的提升往往受限于数据访问的速度。本部分专注于内存系统的设计艺术。 第五章：Cache存储器设计与管理 Cache是CPU性能的关键瓶颈解决者。本章将深入探讨Cache的层次结构（L1, L2, L3）、映射策略（直接映射、全相联、组相联）以及写策略（写穿透、写回）。我们会通过具体的性能模型和公式，量化命中率、缺失惩罚对整体系统性能的影响，并讨论伪共享等现代多核环境下的特定缓存问题。 第六章：虚拟内存、TLB与地址翻译 操作系统如何为每个进程提供私有、连续的内存空间？本章详细解释虚拟地址到物理地址的翻译过程，阐述分页机制、页表结构，以及转换后备缓冲器（TLB）在加速翻译中的核心作用。我们还会探讨内存保护、内存保护机制以及现代CPU如何实现地址转换的硬件加速。 第七章：主存系统与内存控制器 超越CPU和Cache，本章关注DRAM的内部工作机制。我们将解析DRAM单元的读写周期、刷新机制，以及现代内存标准（如DDR5）的演进。重点分析内存控制器的设计，它如何通过调度、合并和排序内存请求来最大化内存带宽，同时降低延迟。 --- 第三部分：并行化与多核系统的崛起 单核性能提升的瓶颈促使计算走向并行。本部分聚焦于如何利用多核架构实现大规模加速。 第八章：从指令级并行到线程级并行 本章首先回顾超标量（Superscalar）和动态调度（如记分牌、保留站）如何挖掘指令级并行性（ILP）。随后，我们将转向线程级并行（TLP）：多线程（SMT/超线程）的实现原理，以及如何在单个核心内同时处理多个指令流。 第九章：多核处理器与片上系统（SoC） 探讨多核架构的拓扑结构（如Mesh、Ring Bus）和片上互联网络（NoC）的设计挑战。重点分析多核系统中的缓存一致性协议（如MESI、MOESI），这是保证并行程序正确性的基石。本章还会讨论功耗与热管理在多核设计中的关键作用。 第十章：异构计算与专用加速器 现代计算不再是CPU独霸的时代。本章深入研究异构计算范式，包括GPU（图形处理器）的SIMT（单指令多线程）架构，以及专用于特定任务（如神经网络推理、信号处理）的ASIC和FPGA加速器。我们将探讨如何有效分配任务给不同类型的处理器，实现最佳的性能功耗比。 --- 第四部分：面向未来的设计挑战 计算系统的未来方向充满挑战与机遇。 第十一章：功耗与能效设计 随着晶体管密度的增加，功耗已成为系统设计的首要限制因素。本章讨论动态功耗与静态功耗的来源，并详细介绍电压频率调节（DVFS）、时钟门控、电源门控等低功耗设计技术。我们将引入能效度量（如TOPS/Watt），并探讨如何平衡性能与能耗的工程艺术。 第十二章：容错性、可靠性与安全架构 从服务器到航空电子，系统的可靠性至关重要。本章探讨错误检测与纠正（ECC）机制在存储器和逻辑单元中的应用。此外，我们将剖析硬件安全特性，如侧信道攻击的防御、可信执行环境（TEE）的硬件支持，以及固件完整性验证的架构要求。 第十三章：新兴计算范式：量子与存内计算 展望未来，本章简要介绍可能颠覆现有冯·诺依曼架构的计算模型。我们将概述量子计算的基本原理（量子比特、叠加与纠缠），以及内存内计算（Processing-In-Memory, PIM）如何通过集成计算单元于存储器中，来克服“内存墙”的终极挑战。 --- 本书特色 1. 理论与实践的紧密结合： 穿插大量的真实处理器设计案例研究，并提供基于硬件描述语言的仿真或软硬件协同设计练习。 2. 跨越多个抽象层级： 从晶体管级别的延迟分析，到系统级的互连网络设计，提供一个统一的知识框架。 3. 强调工程权衡： 每一项设计决策（如分支预测的深度、Cache的大小）背后都涉及复杂的性能、面积和功耗（PPA）权衡，本书将重点剖析这些权衡的本质。 4. 前沿视角： 充分覆盖了当前业界最关注的多核一致性、能效优化及异构加速等热点议题。 目标读者： 计算机科学、电子工程、软件工程等相关专业的高年级本科生、研究生，以及需要深入了解硬件底层工作原理的软件开发者、系统架构师和硬件工程师。掌握本书内容，您将具备设计、分析和优化下一代计算系统的核心能力。

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一本关于计算机的组织、设计与架构的书，听起来就充满了探索未知的魅力。我一直对计算机的“骨架”和“运作方式”充满好奇，这本书的标题正中下怀。我设想它不会仅仅停留在抽象的概念层面，而是会通过具体的实例，展示计算机是如何一步步从最初的设想变成我们今天所见的强大机器的。 我希望书中能够详细讲解存储器系统，包括不同类型的存储器（如DRAM、SRAM）的特性，以及它们在计算机系统中的作用。同时，“架构”这个词也暗示着它会对计算机的整体组织结构进行深入的探讨，例如，总线结构、数据通路设计、控制单元的设计等。我期待这本书能够帮助我理解，为什么不同的计算机在性能和功能上会有如此大的差异，以及这些差异是如何由其底层的组织和设计决定的。如果它能提供一些关于计算机架构演进的历史视角，或者对未来计算机架构的发展趋势进行展望，那将更具启发性。

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我经常在想，我们每天使用的电脑、手机，它们到底是如何“思考”的？《计算机组织、设计与架构》这个书名，正是我一直在寻找答案的起点。我设想这本书会以一种系统性的方式，引导我从宏观到微观，一点点揭开计算机的神秘面纱。我希望它能详细讲解计算机的指令集架构（ISA），这是软件与硬件沟通的桥梁，理解它对于深入掌握计算机工作原理至关重要。 此外，“设计”这个词也让我非常感兴趣。我好奇在设计一台计算机时，工程师们是如何在性能、功耗、成本以及可靠性之间做出取舍的。这本书是否会探讨不同的处理器设计风格，比如RISC与CISC的优劣，以及现代处理器是如何融合两者的优点？我也期望书中能介绍一些关于并行计算和多核处理器设计的概念，因为这是当前计算机体系结构发展的重要趋势。如果这本书能清晰地阐述这些核心概念，并提供一些深入的分析，那将是非常宝贵的学习材料。

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作为一名在软件开发领域摸爬滚打多年的从业者，我时常会遇到性能瓶颈，或是需要理解某些底层机制才能更好地优化代码。一本好的《计算机组织、设计与架构》读物，对我而言，更像是解锁新技能的钥匙，或是解决燃眉之急的宝典。我设想这本书不仅仅停留在理论层面，而是能够紧密结合实际应用，例如，它是否会讨论不同指令集架构（如x86、ARM）的优劣势，以及它们在不同应用场景下的适用性？是否会深入剖析现代CPU的核心设计，如分支预测、乱序执行等技术，并解释这些技术如何直接影响到我们编写的程序的执行效率？ 我尤其关心书中是否能提供一些实际的案例分析，比如，通过分析一个常见的算法或数据结构，来展示不同硬件架构可能带来的性能差异，并指导读者如何根据目标硬件进行代码优化。一本真正有价值的书，应该能够帮助我建立起从代码到硬件的桥梁，让我不仅仅是一个“代码的编写者”，更能成为一个“理解硬件运行机制的代码优化者”。

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这本书的书名——《计算机组织、设计与架构》，本身就散发出一种沉甸甸的、如同陈年老酒般的学术气息。光是这几个词的组合，就足以让那些对计算机底层原理充满好奇，渴望一窥现代电子设备是如何运转的学生或工程师们眼前一亮。我想象中的这本书，绝不仅仅是枯燥的指令集和逻辑门堆砌，而更像是一次穿越历史长河的旅程，从早期的庞然大物般的计算机，到如今我们口袋里的智能手机，其间的设计理念、架构演进、以及那些塑造了现代计算世界的关键技术创新，都应该是书中浓墨重彩描绘的对象。 我期待它能深入浅出地解释那些看似神秘的术语，比如“流水线”、“缓存一致性”、“超标量处理器”等等，不仅仅是给出定义，更应该通过生动的比喻和图示，让读者真正理解它们是如何工作的，以及它们在提升计算机性能方面所扮演的角色。同时，我也希望这本书能够体现出“设计”的艺术性，毕竟，计算机架构并非一成不变，而是无数工程师在权衡性能、功耗、成本、可扩展性等诸多因素后，精妙权衡的结果。这本书是否能展现这种“设计”背后的哲学思考和工程智慧，将是我衡量其价值的重要标准。

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我对计算机科学的兴趣，源自于对信息处理背后那股强大力量的好奇。每次看到一个复杂的应用程序流畅运行，或者一个小小的芯片承载着如此强大的计算能力，我都会惊叹于人类智慧的结晶。《计算机组织、设计与架构》这样的书名，就像是对我这种好奇心最好的回应。我希望这本书能够带我深入了解计算机的“大脑”是如何工作的，从最基本的逻辑门电路开始，逐步构建起复杂的算术逻辑单元（ALU）、控制器、寄存器组，最终形成一个完整的中央处理器（CPU）。 更重要的是，我期待它能展现“架构”是如何将这些基本组件有机地组合起来，形成一个高效的计算系统。这是否包括对内存层次结构（缓存、主存）的详细阐述，以及它们与CPU之间的数据交换机制？是否会介绍I/O系统是如何与CPU通信，完成外部设备的数据交互？这本书能否用清晰的语言和引人入胜的例子，将这些复杂的概念娓娓道来，让我不仅仅是“知道”这些术语，而是真正“理解”它们的内在联系和设计逻辑，将是它给我带来惊喜的关键。

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