The Architecture and Engineering of Digital Computer Computers pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Boris Beizer

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1971-11-01

价格:USD 132.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780306371523

丛书系列:

图书标签:

• 计算机体系结构
• 计算机工程
• 数字计算机
• 计算机设计
• 硬件设计
• 计算器历史
• 电子工程
• 计算机科学
• 技术历史
• 数字逻辑

数字计算机架构与工程（The Architecture and Engineering of Digital Computer Computers）书籍内容概述 本书旨在为读者提供对现代数字计算机系统从底层硬件设计到高级软件交互的全面、深入的剖析。它不仅仅是一本关于计算机硬件的书籍，更是一部探讨如何将理论计算模型转化为高效、可靠、可扩展的物理实体的工程学专著。全书内容涵盖了从最基本的逻辑门电路到复杂的多处理器系统和内存层次结构的各个层面，力求构建一个清晰、连贯的数字计算机系统全景图。 第一部分：基础理论与数字逻辑设计 本书的开篇部分奠定了整个技术讨论的基石。我们首先回顾了布尔代数、逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）以及它们在数字电路中的应用。深入探讨了如何利用这些基本元件构建更复杂的组合逻辑电路，例如加法器、多路选择器、译码器和算术逻辑单元（ALU）。 接下来，我们转向时序逻辑电路，这是实现状态存储和控制流程的关键。本书详细分析了触发器（Latch和Flip-Flop，如SR, D, JK, T型）的工作原理、时序约束（建立时间、保持时间）以及如何利用它们构建寄存器、计数器和有限状态机（FSM）。我们强调了同步设计的重要性，并介绍了时钟信号的分配、去耦以及如何处理亚稳态问题。 此外，本部分还专门辟出一章讨论硬件描述语言（HDL），如VHDL或Verilog，作为连接高层设计意图与底层物理实现的关键桥梁。读者将学习如何使用这些语言描述硬件行为，并通过综合工具将描述转化为实际的门级网表。 第二部分：指令集架构（ISA）与中央处理单元（CPU） 在理解了基本逻辑构建块之后，本书将焦点转移到计算机的“心脏”——中央处理单元（CPU）及其与程序的接口——指令集架构（ISA）。 ISA的设计是计算机工程中的核心权衡过程。我们详细分析了两种主要的ISA哲学：复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。通过比较MIPS、ARM或x86等代表性架构的特点，阐述了操作码设计、寻址模式、寄存器组织以及不同数据类型处理的工程考量。 随后，本书深入探讨了CPU的微架构实现。我们将剖析单周期数据通路的设计，理解指令获取、译码、执行、内存访问和写回这五个基本步骤。然而，单周期设计的性能瓶颈显而易见，因此，本书将大量篇幅用于介绍流水线技术。读者将学习如何将指令处理分解为多个阶段（如取指、译码、执行等），实现指令并行。重点分析了流水线中的数据冒险（Data Hazards）和控制冒险（Control Hazards），并详细讲解了解决这些问题的技术，如数据前递（Forwarding/Bypassing）和分支预测机制（如分支目标缓冲器BTB）。 更高级的CPU设计内容包括超标量（Superscalar）处理器，它通过多个并行执行单元提升吞吐量。书中详尽解析了指令级并行性（ILP）的提取技术，包括指令调度、乱序执行（Out-of-Order Execution）的复杂逻辑，以及重排序缓冲（Reorder Buffer, ROB）和保留站（Reservation Stations）等关键结构的作用。 第三部分：存储器系统与层次结构 现代计算机性能的瓶颈往往不在于原始的计算速度，而在于数据存取延迟。因此，本书将存储器系统视为与CPU同等重要的设计领域。 我们从最基础的存储元件开始，如SRAM和DRAM的单元结构和工作原理。随后，本书构建起经典的存储器层次结构：寄存器、缓存（Cache）、主存（RAM）和辅助存储（磁盘/SSD）。 缓存是性能优化的核心。本书对缓存技术进行了详尽的剖析，包括： 1. 映射方案：直接映射（Direct-Mapped）、全相联（Fully Associative）和组相联（Set-Associative）的优缺点与实现。 2. 块替换策略：LRU、LFU及其硬件近似实现。 3. 写策略：写直达（Write-Through）与写回（Write-Back），以及涉及的写分配机制。 4. 多级缓存系统：L1、L2、L3缓存之间的协同工作与一致性维护。 此外，本书还专门讨论了虚拟存储器（Virtual Memory）的工程实现。这包括地址转换过程——如何使用页表（Page Tables）、TLB（Translation Lookaside Buffer）将虚拟地址映射到物理地址。我们探讨了缺页中断的处理流程，以及内存分段与分页的设计权衡。 第四部分：I/O系统、总线与并行计算 计算机系统必须与外部世界进行交互。本部分关注输入/输出（I/O）系统的设计、设备控制器的工作原理以及数据如何在CPU、存储器和外设之间高效传输。 本书详细描述了总线架构，包括同步总线和异步总线，并分析了PCIe等现代高速串行总线的设计原理。我们探讨了中断（Interrupts）和轮询（Polling）机制，以及DMA（直接内存访问）如何通过绕过CPU来提高数据传输效率。 最后，本书拓展到多处理器系统和并行架构。从共享内存的多核系统（NUMA/UMA）到分布式内存系统，我们探讨了并发编程的挑战。特别关注缓存一致性协议（如MESI协议），这是确保在多核环境中，所有处理器对共享数据看到一致性视图的关键机制。我们还简要介绍了向量处理器和GPU的并行计算模型，展示了体系结构如何适应不同类型的计算负载。 全书以严谨的工程视角，将从晶体管层面的设计约束，提升到系统层面的性能优化，为读者提供了一套完整的数字计算机设计与实现方法论。

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