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出版者:科学出版社

作者:张基温

出品人:

页数:148

译者:

出版时间:1999-7-1

价格:14.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787030064684

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
• 大学教材
• 实验教程
• 计算机技术
• 高等教育
• 编程
• 算法
• 数据结构
• 操作系统
• 网络

计算机系统与底层原理剖析：从硬件基石到软件架构 本书旨在为读者提供一个深入、全面、系统化的计算机科学核心知识体系，聚焦于计算机系统的底层运作机制、硬件与软件的交互范式，以及现代计算架构的设计哲学。本书不涉及《大学计算机技术实验教程》中关于特定实验操作、特定软件环境下的应用实践，或侧重于基础编程语言（如C/C++、Python）的具体语法教学与初级项目实战。相反，它将读者的视角引向支撑这一切的更深层次的理论与工程实现。 --- 第一部分：数字逻辑与计算的物理基础 本部分内容侧重于计算机硬件的逻辑基石，剖析信息如何在物理层面被编码、存储和处理。 1. 离散数学与布尔代数的高级应用 我们将超越基础的集合论和逻辑推理，深入探讨可计算性理论的数学根源。重点分析图灵机模型、Lambda演算以及它们与现代冯·诺依曼架构的映射关系。研究NP完全性问题的理论意义及其对算法设计复杂度的约束。阐述有限自动机（DFA/NFA）在词法分析器设计中的精确应用，而非仅仅停留在概念介绍。 2. 组合逻辑与时序电路的深层结构 详细解析半加器、全加器等基础模块如何堆叠构建算术逻辑单元（ALU）。着重探讨现代处理器中ALU的设计优化，包括超前进位加法器（Carry Lookahead Adder）和乘法器的Booth算法实现。在时序电路部分，超越简单的触发器（Flip-Flop）讲解，深入研究锁存器（Latch）与触发器的区别、主从结构的工作原理，以及如何利用它们构建寄存器堆（Register File）和高速缓存控制器。分析同步电路中的时钟偏斜（Clock Skew）问题及其对系统稳定性的影响，以及锁相环（PLL）在时钟生成与同步中的作用。 3. 存储系统层级结构与内存访问优化 本书将计算机的存储系统视为一个多层级的复杂层次结构，从寄存器到固态硬盘，每层级都有其独特的访问延迟、容量和成本特性。重点分析静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的单元结构、刷新机制和延迟特性。深入讲解缓存（Cache）的工作原理：地址映射策略（直接映射、集合关联、全关联）、替换策略（LRU、FIFO、随机）的硬件实现复杂度，以及写策略（写直达、写回）对总线流量的影响。探讨虚拟内存管理单元（MMU）如何实现地址转换（页表结构、TLB的查找与替换），以及这些机制如何共同作用以实现操作系统的内存保护和隔离。 --- 第二部分：处理器架构与指令集工程 本部分着重于中央处理器（CPU）的设计原理，揭示机器指令如何转化为高速的物理操作。 4. 指令集架构（ISA）的权衡与设计 本书不限于对某一种特定指令集（如x86或ARM）的简单介绍，而是探讨ISA设计背后的哲学：精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）的优劣势对比。分析指令格式、寻址模式、操作码设计如何影响指令译码器的复杂度和流水线效率。研究条件码寄存器、标志位（Flags）的更新机制，以及它们在分支预测中的作用。 5. 流水线技术与指令级并行（ILP） 深入剖析经典的五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）模型。核心内容将放在数据冒险（Data Hazard）和控制冒险（Control Hazard）的识别与解决上。详细阐述转发（Forwarding/Bypassing）单元的设计，以及分支延迟槽和分支预测器的工作原理，包括静态预测与动态预测（如两比特饱和计数器）。进一步探讨超越流水线（Superscalar）架构，分析指令调度器（Instruction Scheduler）如何动态地将指令发射到多个执行单元，实现指令级的乱序执行（Out-of-Order Execution）。 6. 并行处理架构：从多核到异构计算 探讨多处理器系统的互连网络拓扑（如网格、环、超立方体）。分析共享内存模型（UMA/NUMA）中的缓存一致性问题，以及基于嗅探（Snooping）和基于目录（Directory-based）的协议（如MESI协议）如何维护多核环境下的数据一致性。研究图形处理单元（GPU）的SIMT（单指令多线程）架构，解释其与传统CPU在线程模型和内存访问模式上的根本差异，以及它们在并行计算中的应用场景。 --- 第三部分：操作系统内核与系统调用机制 本部分聚焦于管理和抽象硬件资源的软件核心——操作系统，强调其与硬件接口的交互方式。 7. 进程、线程与并发控制的底层实现 本书将深入操作系统的进程控制块（PCB）的结构，详细描述上下文切换（Context Switch）的汇编级过程（保存/恢复寄存器状态）。深入讲解线程与进程的区别，以及内核态与用户态的转换机制。在并发控制方面，超越简单的信号量（Semaphore）和互斥锁（Mutex）的应用，重点分析实现这些同步原语的底层硬件支持（如Test-and-Set指令），以及死锁的检测、预防和恢复算法（如银行家算法的精确分析）。 8. 文件系统结构与持久性存储管理 探讨磁盘存储的物理特性（寻道时间、旋转延迟），以及如何通过逻辑抽象构建高效的文件系统。详细分析FAT、i节点（inode）结构、日志文件系统（如ext4、NTFS）中的事务日志机制如何保证数据的一致性和原子性。分析虚拟文件系统（VFS）层如何提供统一的接口来抽象不同底层文件系统的差异。 9. 内存管理的高级技术与虚拟化 阐述操作系统如何通过分页（Paging）和分段（Segmentation）机制实现进程地址空间的隔离与保护。重点分析多级页表的构建、TLB的缺失处理流程（Page Fault Handling）。深入研究颠簸（Thrashing）现象的成因，以及工作集模型（Working Set Model）在页面置换算法中的理论指导意义。最后，探讨硬件辅助虚拟化技术（如Intel VT-x/AMD-V）如何使得虚拟机监视器（VMM）能够高效地拦截和管理敏感指令，实现系统级的隔离与资源复用。 --- 总结： 本书提供的是一个关于计算机如何工作的深度技术手册，而非如何使用特定工具的指导书。它面向希望理解计算技术内在机制的读者，构建从晶体管到操作系统内核的完整知识链条，强调理论模型的精确性和工程实现的复杂性。

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从排版和印刷质量上看，这本书倒是无可挑剔，纸张用料扎实，字体清晰，这一点值得称赞。然而，内容上的瑕疵很快就暴露出来了。我尤其想提一下关于软件环境配置的部分。教程中推荐的开发工具和库的版本似乎有些陈旧了，这在如今技术更新如此迅速的时代，是一个不小的硬伤。我花了大量时间去解决版本兼容性的问题，很多书上写明的命令在我的新版操作系统上已经不再适用，或者需要额外的参数才能成功运行。这让整个实验的起步阶段就充满了不必要的波折，极大地消耗了学习的热情。更让人感到困惑的是，对于一些核心的编程概念，比如面向对象的设计思想的探讨，书本上的理论阐述显得过于学术化和抽象，缺乏贴近实际应用场景的案例支撑。学生们在进行实际项目构建时，常常找不到理论和实践之间的桥梁，只能机械地套用书中的模板，对能力的提升帮助有限。

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这本书的习题设计也存在一些令人费解的地方。实验后的思考题部分，很多题目要么过于简单，几乎不需要动脑筋就能直接从书本或代码中找到答案，起不到巩固理解的作用；要么又设置得极其刁钻，考察的知识点非常偏门，与本章核心内容的关联性不强，更像是对知识点的小型“陷阱”测试。这种两极分化的出题风格，让认真思考的同学感到价值不高，而只想应付交差的同学也能轻易蒙混过关。如果教材的目标是培养学生的动手能力和独立解决问题的能力，那么习题应该引导学生去探索和创新，而不是仅仅停留在对既有知识点的复述上。遗憾的是，这本书的习题更倾向于后者，缺乏开放性和启发性，使得实验课的学习体验变成了一种应试训练，而非真正的技术探索之旅。

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这本《大学计算机技术实验教程》的定价对于一本教材来说，实在是有些偏高了。我记得当时是在开学季匆忙购买的，看着厚实的内容和精美的封面，心里还挺期待能学到很多干货。然而，实际使用起来，体验就没那么理想了。首先，教程的结构安排显得有些零散，章节之间的逻辑衔接不够紧密，感觉像是把一些零碎的实验内容拼凑在了一起，而不是形成一个连贯的学习路径。例如，讲到数据结构和算法的时候，很多基础概念的引入过于仓促，读者如果不是对这些内容有预先的了解，很容易在实验操作中迷失方向。而且，书中的代码示例虽然数量不少，但很多时候并不能完全对应到实验要求上，需要读者自己进行大量的修改和调试，这无疑增加了初学者的学习难度和挫败感。对于一本强调“实验”的教程来说，实验指导的清晰度和可操作性是至关重要的，但这本教材在这方面确实有所欠缺，很多步骤描述得过于简略，缺少必要的上下文解释，让人感觉编写者似乎预设了读者已经具备了较高的基础。

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我对这本教材的参考价值持保留态度，特别是在深入学习某一特定技术领域时。它更像是一本“入门工具箱”，勉强涵盖了计算机科学中几个主要分支的皮毛——比如基础的C/C++编程、一些初级的数据库操作，以及非常简化的网络协议概念。但是，任何一个模块的展开都不够深入和透彻。例如，在涉及操作系统原理的实验部分，对于进程管理和内存分配等关键概念，书本只是蜻蜓点水般地介绍，留给读者的实验空间极其有限，无法真正体会到底层逻辑的复杂性。当我在尝试基于这些实验内容进行更复杂的系统设计时，明显感到知识储备上的不足，不得不去翻阅其他更专业、更深入的参考书。这说明，作为一本“教程”，它在系统性和深度上都没有达到应有的标准，更像是一份粗略的实验大纲的文字记录。

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最让我感到头疼的是，书中对于错误处理和调试技巧的指导几乎是空白的。在任何一个稍微复杂一点的实验中，出现编译错误或者运行时崩溃是家常便饭，而这本教材似乎默认学生们都有“自动修复”的能力。它没有提供一个系统性的方法来教导学生如何有效地定位问题、如何利用调试器（Debugger）一步步跟踪代码执行流程，以及如何根据错误信息进行有效的自我诊断。对于一个初次接触实验课程的学生来说，面对一堆红色的错误提示，如果没有明确的指引，很容易就会陷入无助和焦躁之中。一本优秀的实验教程，应该把调试和排错视为实验的重要组成部分，并给予足够的篇幅进行讲解和示范。这本书在这方面的缺失，使得实验过程的效率大打折扣，学习的体验感也因此大打折扣。

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