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出版者:西安电子科技大学出版社

作者:邓洪涛

出品人:

页数:392

译者:

出版时间:2004-4-1

价格:32.0

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787560611518

丛书系列:

图书标签:

• 计算机硬件
• 硬件原理
• 硬件维修
• DIY组装
• 电脑硬件
• 硬件测试
• 故障排除
• 硬件升级
• 电子技术
• 计算机基础

好的，这是一份针对您要求的图书简介： --- 《数字世界的基石：深入理解计算机硬件架构与工作原理》 一部关于现代计算设备底层逻辑的权威指南 在信息技术飞速发展的今天，我们习以为常的智能手机、高性能服务器乃至复杂的云计算系统，其背后都依赖着精妙而复杂的硬件架构。然而，对于许多技术人员和爱好者而言，驱动这些设备运行的“硅基心脏”——计算机硬件——的深层运作机制，往往停留在模糊的认知层面。本书《数字世界的基石：深入理解计算机硬件架构与工作原理》，旨在填补这一知识鸿沟，为读者提供一个从晶体管到复杂系统级的全面、系统且深入的解析。 本书并非一本简单的硬件组装手册，也不是面向初学者的零基础入门读物。它定位于那些已经掌握了基础编程概念，渴望理解代码如何在物理层面被执行，以及硬件设计如何影响软件性能的工程师、系统架构师、计算机科学专业学生以及资深技术爱好者。 第一部分：基础的构建——从物理到逻辑的桥梁 本部分将带领读者回到计算的源头，细致考察构成现代处理器的基本物理实体及其逻辑抽象。 第一章：半导体物理与晶体管的奥秘 我们将从材料科学的角度切入，探讨硅基半导体的特性，重点解析MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的工作原理，它是所有现代数字逻辑的基础。内容涵盖P型和N型掺杂、PN结的形成、以及场效应如何实现对电流的精确控制。我们将详细拆解CMOS反相器的工作特性，分析其功耗、延迟和噪声容限，为后续理解复杂逻辑门打下坚实的物理基础。 第二章：组合逻辑与时序逻辑的构建 基于晶体管，我们构建出布尔代数的实现：逻辑门（AND, OR, NOT, XOR）。本章将深入探讨如何利用这些基本门构建出更复杂的组合逻辑电路，如加法器、多路选择器和译码器。随后，我们将转向时序逻辑，重点剖析锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop）的结构和工作特性，特别是对建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的严格要求，这些是实现同步电路稳定运行的关键。 第三章：数字电路的层次化设计与抽象 我们探讨如何从底层晶体管通过门电路、寄存器、算术逻辑单元（ALU）逐步抽象出功能模块。本章将介绍硬件描述语言（HDL，如Verilog或VHDL）的基本语法和设计范式，演示如何使用高级语言来描述硬件行为，并概述综合（Synthesis）和布局布线（Place and Route）的过程，揭示设计如何从代码转化为物理版图。 第二部分：中央处理器（CPU）的核心机制 本部分是本书的重中之重，聚焦于现代处理器内部复杂且高度并行的执行单元。 第四章：指令集架构（ISA）的深度剖析 指令集架构是硬件与软件之间的契约。我们将对比分析主流的ISA类型，特别是RISC（精简指令集）和CISC（复杂指令集）的设计哲学。详细解读操作码（Opcode）、寻址模式、寄存器集合以及调用约定（Calling Convention）。重点分析x86-64和ARMv8架构的特定指令集扩展（如SIMD单元），以及这些设计决策如何直接影响编译器和操作系统的效率。 第五章：数据通路与控制单元设计 本章将系统性地展示单个周期处理器（Single-Cycle Processor）的设计缺陷，进而引入多周期和流水线（Pipelining）技术。详细解析五级经典流水线的结构（取指、译码、执行、访存、写回），并深入研究流水线冲突的类型——结构冲突、数据冲突和控制冲突。针对这些冲突，我们将全面介绍解决方案：数据前递（Forwarding/Bypassing）机制的实现细节，以及分支预测器的结构和工作算法，如BTB（分支目标缓冲器）和GShare预测器。 第六章：超越指令集并行——超标量与乱序执行 现代高性能CPU的核心在于指令级并行（ILP）。我们将深入探索超标量（Superscalar）架构，即在单个时钟周期内执行多条指令的能力。核心内容将聚焦于乱序执行（Out-of-Order Execution, OoOE）引擎，包括： 重排序缓冲器（Reorder Buffer, ROB）：管理指令的提交顺序。 保留站（Reservation Stations）：暂存待执行指令。 加载/存储队列（Load/Store Queue, LSQ）：管理内存操作的顺序性。 Speculative Execution（推测执行）：如何利用分支预测结果进行预先计算，以及当预测错误时如何精确地回滚状态（Rollback）。 第三部分：存储系统的金字塔结构 现代计算的瓶颈往往不在于计算速度，而在于数据访问延迟。本部分将详述存储层次结构的设计原理和性能优化策略。 第七章：高速缓存（Cache）的原理与优化 深入探讨CPU L1、L2、L3缓存的工作机制。详细解析缓存的组织方式：直接映射、全相联和组相联（Set-Associative）的优缺点与实现成本。重点分析缓存命中与未命中的原理，以及三种主要的写策略（Write-Through, Write-Back）和替换算法（LRU, Pseudo-LRU）。本章还将讨论多核系统中的缓存一致性问题（Cache Coherency），介绍MESI等协议如何维护数据在不同核心间的同步。 第八章：主存系统与内存管理单元（MMU） 本章转向DRAM技术，介绍DDR SDRAM的刷新（Refresh）和定时参数。核心内容聚焦于虚拟内存系统，详细阐述内存管理单元（MMU）在地址转换中的作用。分析TLB（Translation Lookaside Buffer）如何加速虚拟地址到物理地址的映射，以及缺页中断（Page Fault）的处理流程。探讨现代处理器中对内存访问进行排序（Ordering）和屏障（Barrier）的需求。 第九章：持久化存储接口与I/O系统 涵盖固态存储（SSD）的技术基础，包括NAND闪存的单元结构（SLC, MLC, TLC, QLC）及其磨损均衡（Wear Leveling）算法。深入分析主流的I/O接口标准，如PCI Express（PCIe）的事务层和数据链路层协议，以及SATA/NVMe协议在主机控制器与设备间的通信机制。 第四部分：并行计算与异构架构 本部分关注当前计算领域的前沿，即如何利用多个计算单元进行加速。 第十章：多核并行与线程级并行 分析多核处理器的片上互连网络（NoC）设计，包括总线、交叉开关和环形互连的性能特点。讨论同步原语（如原子操作、内存屏障）在多核环境中的必要性，以及它们是如何由硬件指令（如x86的LOCK前缀或Load-Linked/Store-Conditional）实现的。 第十一章：GPU与加速器架构 对比CPU与GPU在设计哲学上的根本差异——侧重延迟（Latency）还是吞吐量（Throughput）。详细解析SIMT（Single Instruction, Multiple Thread）模型，包括Streaming Multiprocessors (SMs) 的结构、线程束（Warps/Wavefronts）的调度机制，以及如何管理大量的轻量级线程来隐藏内存延迟。同时，简要介绍FPGA和ASIC在特定加速任务中的应用优势。 --- 本书特色与价值： 本书以“自底向上”的严谨逻辑，将抽象的计算概念与具体的物理实现紧密结合。每一章节都穿插了大量的真实处理器设计案例分析，帮助读者理解理论如何在工程实践中被权衡和取舍。通过阅读本书，您将能够： 1. 洞察性能瓶颈：准确判断代码执行速度慢的原因是算法效率、编译器优化不足，还是底层硬件资源的竞争。 2. 优化系统设计：为开发操作系统内核、高性能计算应用或嵌入式系统提供深刻的硬件视角。 3. 理解安全漏洞：深入理解如Spectre/Meltdown等侧信道攻击的硬件根源，并掌握缓解技术。 《数字世界的基石》是每一位渴望精通现代计算机器的专业人士不可或缺的参考书。 ---

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这本书的叙事风格极其流畅，文字组织如同精密编排的时序图，逻辑清晰到几乎不需要反复阅读就能理解复杂的概念。它的优势在于将看似孤立的硬件组件，比如CPU、内存、I/O控制器，编织成了一个有机的整体。我欣赏它处理“性能瓶颈”问题的方式，它不是简单地罗列“内存慢”或“总线堵塞”，而是会追溯到指令预取、分支预测失败、TLB缺失等一系列微架构事件，然后分析这些事件是如何向上层抽象（如操作系统调度）反馈影响的。尤其是在讨论I/O性能时，它详尽对比了中断驱动、轮询（Polling）和直接内存访问（DMA）这三种模式的优劣，并给出了在不同场景下的最佳实践建议。但说实话，我一直期待能看到更具体的“逆向工程”实例。比如，书中提到某个芯片组的电源管理单元（PMU）的某个低功耗状态切换机制，我期望能看到更接近于寄存器级别的操作描述，或者至少是厂商提供的硬件手册摘要，但书中提供的往往是高级API调用层面的描述，使得“破解”二字的实际操作感稍显不足。它更像是一位经验丰富的系统架构师在给你做一次高质量的架构汇报，而不是一位电路工程师在拆解芯片的内部结构。

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这本书的封面上印着“全面破解计算机硬件”，我满怀期待地翻开了第一页，希望能在其中找到那些深入骨髓的、关于CPU微架构、内存控制器设计原理以及主板上每一个芯片组工作机制的详尽解析。然而，令我略感意外的是，内容似乎将重点放在了更高层面的系统集成和软件驱动的交互上。比如，它花费了大量的篇幅来探讨不同操作系统内核如何调度硬件资源，尤其是对于虚拟化技术下I/O虚拟化的性能瓶颈分析，这一点确实非常专业，但对于一个期待了解晶体管级别操作的硬件发烧友来说，总觉得隔了一层纱。书中对固态硬盘（SSD）主控算法的介绍，更侧重于其固件层的垃圾回收（Garbage Collection）策略的效率评估，而非NAND闪存单元本身的物理特性和编程/擦除周期的影响机制。如果说本书的目标是提供一个全面的“黑盒”视角，那么它无疑是成功的，它详尽描绘了各个硬件模块如何在操作系统指令下协同工作的蓝图，但对于“破解”二字所暗示的那种对底层电路和信号流的彻底揭示，似乎有所保留。我特别留意了关于PCIe总线协议栈的章节，它很好地解释了事务层和数据链路层如何确保数据完整性，但对于物理层上差分信号的阻抗匹配和时钟恢复机制，则一笔带过，这让追求极致硬件理解的我，感到了一丝意犹未尽的遗憾。总体而言，这是一本偏向于系统工程师和高级驱动开发人员的参考书，而非是硬件电子工程师的“葵花宝典”。

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这本书的广度令人印象深刻，它几乎涵盖了从服务器到嵌入式系统中的主流硬件概念，但深度上，尤其是在物理层面的探讨，略显保守。我本来非常期待在“内存”这一章能看到关于DDR5或HBM技术中电信号如何处理串扰和时延的深入分析，但书中更多地聚焦于内存控制器如何管理行激活和突发读取的调度算法，这属于逻辑层面，而非物理信号层面。同样，在对显卡（GPU）架构的介绍中，它清晰地解释了SM（流式多处理器）的工作方式和并行计算的优势，但对于现代GPU如何处理跨芯片的封装技术（如Chiplet架构）带来的热管理和互连延迟挑战，仅仅是蜻蜓点水般带过。对于追求极致性能优化的人来说，这些“为什么能跑起来”和“为什么跑得更快”之间的细微差别至关重要。这本书更像是一本面向合格工程师的“如何高效使用现有硬件资源”的指南，它教会你如何与硬件打交道，而不是如何去“重塑”硬件本身。这使得它在“全面破解”这个标题面前，显得在“破解”二字上稍微收敛了一些。

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我对这本书的评价是：这是一本卓越的硬件系统整合与性能调优手册，而非深入晶体管级别的原理剖析。它在软件与硬件的交界地带展现了强大的洞察力。例如，书中关于NUMA（非统一内存访问）架构的讨论非常透彻，它不仅解释了CPU访问本地内存和远端内存的时间差异，还结合操作系统如何通过NUMA-aware调度器来优化进程放置，提供了一套完整的性能优化框架。这种跨领域的整合能力是本书最大的亮点。但是，对于那些渴望看到硬件设计黑箱内部具体实现的人来说，可能会感到意犹未尽。例如，当讨论到网络接口卡（NIC）的卸载功能时，书中详述了TCP/IP协议栈卸载能节省多少CPU周期，但对于Offload引擎内部的流水线设计和状态机实现，则没有给出任何电路图或RTL级别的描述。换句话说，它将我们带到了硬件的“门前”，展示了门后世界的宏伟蓝图和运行规则，但并没有给我们钥匙去打开每一扇小门，亲手触摸里面的每一个元件。因此，它更适合提升系统设计和软件开发人员对硬件的理解维度。

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读完这本书，我最大的感受是它提供了一种非常“宏观”的硬件视角，更像是从一个系统架构师的白板上俯瞰全局的蓝图。它并没有过多纠缠于那些令人头皮发麻的电阻电容值或是复杂的信号完整性分析，反而将大量的篇幅倾注在了“互联”与“抽象”之上。例如，关于现代多核处理器中的缓存一致性协议，书中用了一整章来对比MESI、MOESI等协议在不同负载下的性能权衡，并结合了缓存伪共享（False Sharing）问题如何拖慢应用程序的执行速度，这种分析非常实用，它教你如何写出“硬件友好”的代码，而不是如何设计那个硬件本身。在存储技术方面，它深入探讨了RAID控制器的校验算法和热插拔（Hot-Swap）机制的健壮性设计，这些都是在企业级应用中至关重要的环节。然而，如果有人想了解如何通过修改BIOS/UEFI的底层固件来超频某个特定的内存控制器，或者想知道如何用示波器调试一个高速信号的时序偏差，这本书恐怕无法提供直接的“操作指南”。它更像是一本精妙的“硬件工作原理”教程，侧重于“为什么这样设计能工作得更好”，而非“这个设计是如何从零开始被实现的”。对于我这种既喜欢看电路图又想了解软件交互的读者来说，这本书的侧重点显然更偏向于后者，提供的是一种优化思维，而非硬核的物理实现细节。

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