微计算机技术

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出版者:清华大学出版社
作者:马群生
出品人:
页数:380
译者:
出版时间:2001-8-1
价格:29.50元
装帧:平装(无盘)
isbn号码:9787302046691
丛书系列:
图书标签:
  • 微机原理
  • 计算机基础
  • 数字电路
  • 汇编语言
  • 单片机
  • 嵌入式系统
  • 硬件设计
  • 软件编程
  • 计算机技术
  • 电子技术
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具体描述

《微机原理与应用:深入探索计算机的基石》 本书旨在为您打开一扇通往微处理器和计算机系统内部运作机制的精密之门。如果您对电子元件如何组合起来,执行复杂任务感到好奇,那么这本书将是您理想的起点。我们不探讨如何使用现成的“微机”来完成日常任务,而是着力于理解这些设备的“大脑”——微处理器——是如何设计的,它们如何与内存、输入输出设备等其他关键组件协同工作,从而构成一个完整的计算系统。 第一部分:微处理器核心架构解析 本部分将为您剖析微处理器的基本组成部分及其工作原理。我们将深入研究: 中央处理器(CPU)的组成:您将了解CPU内部的核心单元,包括算术逻辑单元(ALU)负责执行的算术和逻辑运算,以及控制单元(CU)如何协调和指导整个CPU的运作。寄存器,作为CPU内部的临时存储区域,它们的功能和重要性也将得到详细阐述。 指令集架构(ISA):我们不仅会介绍指令的概念,更会深入探究不同的指令集类型(如RISC与CISC),理解它们的设计哲学和对处理器性能的影响。您将学习到指令的格式、寻址方式以及指令的执行流程,包括取指、译码、执行、访存和写回等关键阶段。 流水线技术:为了提升CPU的执行效率,流水线技术是不可或缺的。本书将详细讲解流水线的工作原理,如何将指令的执行分解成多个阶段,实现重叠执行,从而大幅缩短程序的整体运行时间。同时,我们也会分析流水线可能带来的冲突(如结构冲突、数据冲突和控制冲突),并探讨解决这些冲突的各种策略。 存储器层次结构:理解CPU如何访问数据至关重要。我们将介绍存储器层次结构,从速度极快的CPU缓存(L1, L2, L3),到主存储器(RAM),再到速度较慢但容量更大的二级存储(如SSD和HDD)。您将学习到缓存的作用、缓存一致性问题以及提高缓存命中率的方法。 第二部分:微机系统的硬件组成与交互 在掌握了微处理器的核心原理后,本部分将引导您认识微机系统的其他关键硬件组件,以及它们与CPU之间的通信方式。 存储器系统:除了CPU缓存,我们将深入了解主存储器(RAM)的工作原理,包括DRAM和SRAM的结构差异,以及它们如何通过存储器控制器与CPU进行数据交换。您还将了解存储器地址的分配和管理。 输入/输出(I/O)设备与接口:无论多么强大的CPU,都需要与外部世界进行交互。本部分将详细介绍各种I/O设备(如键盘、鼠标、显示器、硬盘驱动器)的连接方式以及它们与CPU之间的通信机制。您将学习到I/O端口、I/O映射方式以及总线(如PCIe)在数据传输中的作用。 中断机制:为了提高系统响应效率,中断机制是必不可少的。我们将深入解析中断的产生、中断向量、中断处理程序(ISR)的工作流程,以及中断优先级等概念。您将理解中断如何允许CPU在处理一个任务的同时,快速响应外部事件。 总线系统:总线是连接CPU、存储器和I/O设备之间的“高速公路”。本书将详细讲解不同类型总线(如地址总线、数据总线、控制总线)的功能,以及总线协议和仲裁机制在多设备通信中的重要性。 第三部分:微机系统的基础软件交互 硬件的运作离不开软件的驱动。本部分将为您揭示硬件与软件之间如何建立联系。 机器语言与汇编语言:从最底层的机器语言开始,您将理解二进制指令如何构成程序的执行基础。随后,我们将深入学习汇编语言,掌握如何使用助记符来表示机器指令,以及汇编语言在底层编程中的作用。本书将通过实例演示,帮助您理解如何编写简单的汇编程序。 操作系统与硬件的交互:虽然本书不侧重于操作系统的具体功能,但我们将简要介绍操作系统如何管理和调度硬件资源,包括CPU时间、存储器和I/O设备。您将了解操作系统如何通过系统调用来与硬件进行通信。 内存管理:操作系统如何有效地管理计算机的内存空间,以供多个程序使用?本部分将为您介绍内存分段、分页等基本内存管理技术,以及虚拟内存的概念,帮助您理解为何程序可以拥有比实际物理内存更大的地址空间。 学习价值与展望 通过学习本书,您将能够: 深刻理解计算机工作的本质:摆脱对“黑箱”式操作的依赖,真正洞悉计算机内部的运作原理。 为更高级的计算机科学领域打下坚实基础:无论是操作系统开发、嵌入式系统设计,还是计算机体系结构研究,本书提供的基础知识都将为您提供强有力的支撑。 培养严谨的逻辑思维能力:理解复杂的硬件交互和指令执行流程,将极大地锻炼您的逻辑分析和问题解决能力。 本书采用清晰的逻辑结构,配以详实的图示和恰当的案例分析,旨在让复杂的微机原理变得易于理解和掌握。无论您是计算机科学的初学者,还是希望深化对计算机系统认识的技术爱好者,本书都将是您宝贵的参考资料。让我们一同踏上这场探索计算机基石的精彩旅程!

作者简介

目录信息


前言
第1章 绪论
1. 1 微型计算机的特点
1. 2 微处理器. 微型计算机和微型计算机系统
1. 3 微处理器技术发展的概况
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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阅读这本书的过程,对我而言更像是一次沉浸式的学习体验,作者的写作风格非常独特,他善于运用大量的类比和图解,将抽象的概念具象化。例如,在讲解CPU的执行流程时,他用了一个生动形象的比喻,将CPU比作一个流水线上忙碌的工人,每个环节都有明确的分工和协作。他还穿插了许多历史故事和行业发展脉络,让我对微处理器技术的发展有了更宏观的认识,也更加理解了为什么某些设计会成为行业标准。书中对于一些关键指令的解析,更是细致入微,他不仅解释了指令的功能,还深入剖析了其在不同工作模式下的行为差异,以及在实际编程中需要注意的细节。我尤其欣赏作者在讲解寄存器和内存管理时,那种循序渐进的思路,从最基础的内存地址映射,到更复杂的虚拟内存和多级缓存,每一个概念的引入都显得十分自然,并且能够紧密联系前一个知识点。我已经尝试着根据书中的示例代码,在我的开发环境中进行了一些简单的实践,发现书中提供的调试技巧和思路,确实能够帮助我更快速地定位和解决问题。我期待作者能分享更多关于指令流水线深度优化、中断处理机制的底层细节,以及如何通过汇编语言来解锁微处理器的全部性能潜力,这对我来说将是极其宝贵的财富。

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这本书的装帧设计给我留下了深刻的印象,封面的设计简约而不失专业感,采用了一种我从未在技术书籍上见过的特殊纹理纸,触感温润,即使在光线下也散发着柔和的光泽。翻开书页,印刷质量更是令人惊叹,纸张的厚度恰到好处,墨色浓郁饱满,字迹清晰锐利,每一个细节都透露出出版方对品质的极致追求。内容方面,作者在序言中描绘了一个宏大的愿景,他希望通过这本书,能够将那些晦涩难懂的微计算机底层原理,以一种前所未有的清晰度和深度呈现给读者。我个人是从事嵌入式开发多年的工程师,一直以来都觉得对微处理器的运作机制,尤其是在汇编层面和硬件接口的交互方面,存在着一种隔阂感。市面上虽然有很多讲解操作系统或者单片机的书籍,但真正能将微处理器架构、指令集、流水线、缓存一致性等核心概念深入剖析,并且将其与实际应用场景巧妙结合的书籍却寥寥无几。我非常期待这本书能够填补我在这方面的知识空白,并且能帮助我更有效地进行性能优化和系统调试。我已经迫不及待地想深入了解作者是如何将如此复杂的理论知识,转化为通俗易懂且具有实践指导意义的内容的,尤其是他是否能够提供一些关于现代微处理器设计中那些前沿技术,比如乱序执行、分支预测、SIMD指令集在不同应用场景下的应用案例。

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我被这本书的逻辑严谨性和系统性深深吸引,作者在构建知识体系时,展现了卓越的组织能力。从最基础的二进制表示和逻辑门电路的原理,到复杂的CPU流水线和内存管理单元(MMU)的运作,每一个知识点都像一块拼图,被恰到好处地放置在合适的位置,最终构成了一幅清晰而完整的微计算机图景。我尤其喜欢作者在讲解数据通路和控制信号时,采用的流程图和时序图,这些图示不仅直观易懂,而且精确地反映了CPU在执行指令过程中的每一个细微变化。书中关于时钟周期和指令执行时间的分析,更是让我对CPU的性能有了更深刻的理解,作者通过详细的计算和示例,阐明了如何通过优化指令序列来提升整体执行效率。我已经开始根据书中提供的优化思路,修改我之前的一些代码,确实看到了性能上的提升。我期待作者能够进一步深入讲解现代CPU中高级特性,例如分支预测的算法原理,乱序执行的实现机制,以及多核处理器之间的同步和通信问题,这将极大地拓宽我对高性能计算的认知边界,并帮助我设计更具竞争力的嵌入式产品。

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这本书带来的启发是多方面的,作者的写作视角非常独特,他不仅仅是从技术本身出发,还融入了许多关于计算机科学发展历史和未来趋势的思考。在介绍微处理器发展历程时,他穿插了许多有趣的历史故事和技术革新点,让我对摩尔定律的演变以及CPU性能提升的驱动力有了更全面的认识。书中对于不同指令集架构(如x86、ARM、RISC-V)的比较分析,让我对它们的优缺点和适用场景有了更清晰的理解。我特别欣赏作者在讲解处理器功耗管理和散热技术时,那种深入浅出的讲解方式,这对于我从事的功耗敏感的移动设备开发尤为重要。他还探讨了量子计算等新兴技术对未来微处理器设计可能带来的影响,这让我感到非常兴奋,也对未来的技术发展充满了期待。我已经开始尝试将书中关于低功耗设计的一些理念,应用到我正在开发的项目中,希望能够实现更长的电池续航时间。我希望作者能在后续内容中,更多地探讨FPGA等可编程逻辑器件在加速计算中的作用,以及如何将CPU与GPU、DSP等异构计算单元进行有效的协同设计,这将是提升系统整体性能的关键。

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我对于这本书的整体评价是极高的,它以一种非常系统且富有洞察力的方式,揭示了微计算机的核心奥秘。作者的写作风格兼具学术的严谨性和科普的趣味性,他能够将最前沿的技术概念,用最易于理解的语言表达出来。我特别喜欢他在讲解CPU的执行单元时,对算术逻辑单元(ALU)的详细阐述,包括它的基本构成、运算器和逻辑运算器的区别,以及如何通过加法器、减法器等组合逻辑电路实现各种算术和逻辑运算。书中关于数据通路和控制信号的分析,更是让我对CPU的内部工作流程有了非常直观的感受。他还深入探讨了不同类型的指令,以及它们在CPU执行过程中的优先级和消耗的周期。我已经开始尝试根据书中提供的指令编码方式,编写一些简单的汇编程序,并且在模拟器上进行调试。我期待作者能在后续内容中,更多地分享关于CPU的时钟同步、电源管理,以及如何利用低功耗设计技术来延长设备续航时间的实用技巧,这将对我未来的嵌入式系统设计工作提供宝贵参考。

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我被这本书的清晰度和逻辑性深深折服,作者在组织内容时,遵循了一种非常有效的学习路径。他从最基础的数制转换和布尔代数开始,逐步深入到更复杂的逻辑门、触发器、寄存器等基本电路单元,然后在此基础上构建起CPU的各个模块。我尤其欣赏作者在讲解时序逻辑和组合逻辑时,采用的图示和状态转移图,这些工具能够非常直观地展示电路的工作状态和信号变化。书中关于状态机的设计方法,以及如何用Verilog/VHDL等HDL语言来实现,提供了非常实用的指导。他还详细介绍了如何进行逻辑仿真和时序分析,以确保设计的正确性和性能。我已经尝试着根据书中的示例,在FPGA开发板上实现了几个简单的数字电路,并且通过仿真验证了设计的正确性。我期待作者能在后续内容中,更多地分享关于微处理器流水线深度优化、指令集扩展,以及如何利用高级综合技术来提高设计效率的技巧,这将有助于我更好地应对复杂的嵌入式系统设计挑战。

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这本书的内容深度和广度都超出了我的预期,作者在讲解微处理器内部结构时,对每一个关键部件都进行了详尽的阐述,包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器堆、指令译码器、地址生成器等。他不仅仅是列举了这些部件的功能,更重要的是,他解释了它们是如何协同工作的,以及它们之间的相互关系。我特别欣赏作者在讲解指令集架构(ISA)时,对不同指令类型(如数据传输指令、算术指令、逻辑指令、控制流指令)的分类和解释,并且详细说明了它们在CPU执行过程中的优先级和消耗的周期。书中关于中断和异常处理的章节,更是让我大开眼界,作者将这些看似复杂的技术,以一种清晰的逻辑链条串联起来,让我能够理解CPU是如何响应外部事件和内部错误的。他还深入探讨了特权模式和用户模式的区别,以及它们在操作系统安全机制中的重要作用。我已经开始尝试将书中的一些理论知识应用于我的日常开发中,特别是关于中断向量表和异常向量表的理解,帮助我更好地设计实时性要求高的嵌入式系统。我希望作者在后续内容中,能够进一步探讨RISC-V等新型指令集架构的优势,以及它们在未来嵌入式领域的应用前景,并提供更多关于内存访问优化和指令级并行的实用技巧。

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这本书的理论深度和实践指导性达到了一个令人称赞的平衡点,作者在讲解微处理器原理时,始终不忘结合实际的工程应用。他不仅详细介绍了CPU的核心架构,还提供了大量关于如何通过硬件描述语言(HDL)来设计和实现数字逻辑电路的示例。我尤其欣赏他在讲解FPGA和ASIC设计流程时,那种由浅入深的思路,从逻辑综合到布局布线,每一个环节都讲解得非常到位。书中关于内存接口的时序分析和信号完整性问题,对于我进行高速接口设计提供了非常有价值的参考。他还分享了许多关于芯片验证和测试的技巧,这对于确保产品质量至关重要。我已经开始根据书中的一些建议,优化我的PCB布局和信号布线,以减少信号干扰和提高数据传输的可靠性。我期待作者能够进一步深入探讨低功耗设计技术,例如动态电压频率调整(DVFS)、门控时钟等,以及如何利用更先进的芯片制造工艺来提升性能和降低功耗,这将对我在下一代产品设计中提供关键指导。

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这本书无疑是我近期阅读过的最有价值的技术书籍之一,作者以一种非常深入且全面的视角,解析了微计算机的底层架构和工作原理。他不仅详细介绍了CPU的核心组成部分,如控制器、运算器、寄存器组,还对这些部件之间的相互作用和数据流动进行了清晰的阐释。我尤其欣赏作者在讲解内存管理单元(MMU)时,对页表(Page Table)和虚拟地址转换机制的详尽说明,这让我对操作系统如何管理内存有了更深刻的理解。书中关于中断和异常处理的章节,更是让我领略到CPU在应对外部事件和内部错误时的优雅设计。我还受益于作者在讲解指令集架构(ISA)时,对不同指令格式和寻址方式的细致分析,这对于编写高效的汇编代码至关重要。我已经开始尝试将书中的一些性能优化技巧,应用于我的开发项目中,并且看到了显著的改进。我期待作者能够在后续内容中,更深入地探讨多处理器系统的同步机制,例如锁(Lock)和信号量(Semaphore)的工作原理,以及如何利用并发编程技术来充分发挥多核处理器的强大性能,这将对我设计更复杂的嵌入式应用提供关键的指导。

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这本书所提供的知识体系,对于我理解现代计算系统的底层运作机制起到了关键性的作用。作者在讲解微处理器的工作原理时,不仅仅是停留在理论层面,他还深入剖析了不同指令集架构(ISA)的设计哲学,以及它们在性能、功耗和成本之间的权衡。我尤其欣赏作者在讲解指令流水线时,对冒险(Hazard)问题的详细分析,包括结构冒险、数据冒险和控制冒险,并且提供了多种解决方案,如流水线暂停、转发(Forwarding)和分支预测。书中关于缓存一致性协议(如MESI)的讲解,更是让我对多核处理器协同工作有了全新的认识。他还探讨了内存层次结构,包括寄存器、一级缓存、二级缓存、三级缓存以及主内存,并分析了它们之间的延迟和容量关系。我已经开始根据书中提供的缓存优化技巧,调整我的程序访问数据的方式,以提高缓存命中率。我期待作者能在后续内容中,更多地探讨内存管理单元(MMU)的内部工作机制,以及如何利用TLB(Translation Lookaside Buffer)来加速虚拟地址到物理地址的转换,这将有助于我更好地理解操作系统内核和高性能计算库的设计。

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