具体描述
本书共9章，深入浅出地论述了微机的工作原理、接口技术及汇编语言程序设计方法。内容包括：微型计算机概述、80x86微处理器、8086指令系统、汇编语言的程序设计（其中包括了汇编语言的程序框架、上机过程、分支程序、循环程序、子程序设计及汇编语言与高级语言C的混合编程）、存储器系统、输入/输出及中断系统、可编程接口芯片及应用（其中包括并口、串口、A/D和D/A接口的工作原理及接口电路的软件、硬件设计）、键盘和LED显示电路的设计及总线技术。
本书内容丰富、通俗易懂，富有大量实例，适合作为计算机、自动控制、电子工程、机电工程及信息技术等专业学生的教学用书，也适合于所有从事微机及其应用系统设计的科技工作者自学。
计算机系统底层奥秘：现代处理器架构与高效编程实践 图书简介 本书旨在深入剖析当代计算机系统的核心——微处理器（Microprocessor）的内部运作机制，并探讨如何针对这些底层架构进行高效的软件设计与优化。我们不关注传统的“微机原理”教学中对特定历史型号CPU的机械式指令集复述，而是聚焦于现代高性能计算（HPC）环境下的核心概念、设计哲学以及面向未来的技术趋势。全书内容紧密围绕指令集架构（ISA）的演进、流水线与并行处理技术、存储器层次结构优化，以及操作系统与硬件的协同工作这四大支柱展开。 本书的读者对象涵盖了计算机科学、电子工程专业的学生、希望深入理解系统底层、提升软件性能的开发工程师、以及对计算机体系结构有浓厚兴趣的专业人士。我们假设读者已具备基础的编程能力和离散数学或数字电路知识。 --- 第一部分：现代处理器架构的基石 第一章：超越冯·诺依曼瓶颈：现代ISA设计范式 本章将抛弃对过时指令集的刻板描述，转而研究精简指令集计算（RISC）与复杂指令集计算（CISC）的现代折衷方案。重点分析RISC-V这一开放指令集架构的设计哲学，探讨其模块化、可扩展性如何适应未来领域特定计算（Domain-Specific Computing）的需求。我们将深入解析现代指令的编码方式、寻址模式的效率权衡，以及向量扩展（Vector Extensions）如何成为高性能计算（如AI推理、科学计算）的加速利器。讨论指令集对软件并行性的支持程度，而非仅仅是指令的多少。 第二章：流水线、超标量与乱序执行的艺术 现代CPU性能的飞跃主要依赖于指令级的并行性（Instruction-Level Parallelism, ILP）。本章详细解构深度流水线（Deep Pipelining）的结构与潜在风险（如分支预测失准导致的“气泡”）。重点剖析超标量（Superscalar）架构如何通过多个执行单元同时处理指令。更重要的是，我们将详细讲解乱序执行（Out-of-Order Execution, OOO）的内部机制，包括保留站（Reservation Station）、重排序缓冲（Reorder Buffer, ROB）以及重命名寄存器（Register Renaming），这些技术如何保证程序正确性的同时最大化硬件利用率。 第三章：分支预测与内存访问的隐秘战场 分支指令的预测是决定流水线效率的关键。本章不再满足于简单的“两比特饱和计数器”，而是深入探讨基于历史的预测器（如Gshare、Perceptron）的工作原理，以及如何利用分支目标缓冲器（BTB）来加速跳转目标的定位。紧接着，本章将转向内存访问，阐述加载/存储单元（Load/Store Unit）如何与乱序执行引擎协作，确保内存操作的正确顺序（如Store-to-Load Forwarding），并讨论内存访问的延迟与乱序执行的边界。 --- 第二部分：存储器层次结构与系统优化 第四章：缓存的拓扑结构与性能调优 本章是性能工程的核心。我们将细致考察多级缓存（L1、L2、L3）的物理设计、容量、延迟和关联度（Associativity）。重点分析缓存一致性协议（如MESI、MOESI）在单核与多核环境下的作用。对于软件开发者，本章将提供实用的数据布局优化策略，例如缓存行对齐（Cache Line Alignment）、结构体成员重排以最小化伪共享（False Sharing）现象，以及如何利用预取器（Prefetcher）来隐藏内存延迟。 第五章：虚拟内存、TLB与操作系统内核的交互 虚拟内存是现代操作系统的基石，本章将从硬件角度审视其实现。深入探讨地址转换过程，从虚拟地址到物理地址的映射，以及转换后援缓冲器（TLB）在加速此过程中的关键作用。分析TLB的命中率、TLB缺失（Miss）的处理机制，以及操作系统如何通过页表管理（Page Table Management）来维护进程隔离性。同时，讨论内存保护与内存映射（mmap）的底层机制。 第六章：并发性：从硬件线程到内存模型 本章重点分析多核（Multicore）环境下的并行编程挑战。深入理解硬件多线程（SMT/Hyper-Threading）的实现原理及其对性能的潜在影响。核心内容是内存一致性模型（Memory Consistency Model），解释不同架构下（如x86与ARM）的内存模型差异，以及程序员如何通过内存屏障（Memory Barrier/Fence）来强制执行特定的指令顺序，以确保多线程程序的正确性。 --- 第三部分：面向未来的计算范式 第七章：异构计算加速器接口与互连技术 现代计算已不再局限于CPU。本章将探讨通用图形处理器（GPGPU）、现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC）在系统中的集成方式。重点分析PCIe总线的最新标准（如Gen 5/6）及其在高带宽数据传输中的作用。介绍统一内存访问（UMA）与非一致性内存访问（NUMA）架构，以及如何使用直接内存访问（DMA）技术卸载CPU的I/O负担。 第八章：低功耗设计与能效优化策略 随着移动设备和边缘计算的兴起，能效成为设计约束的关键。本章探讨CPU内部的时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）等动态功耗管理技术。从软件角度，分析频率/电压调节（DVFS）如何工作，以及操作系统和应用程序如何通过性能计数器（Performance Counters）来监控能效指标（如Instructions Per Cycle, IPC；Instructions Per Watt），从而实现软件层面的绿色计算。 第九章：安全启动与硬件信任根 系统安全性始于硬件。本章介绍可信计算（Trusted Computing）的基础概念，包括安全启动（Secure Boot）的流程，可信平台模块（TPM）的作用，以及基于硬件的执行环境隔离技术（如Intel SGX或AMD SEV）。分析这些技术如何保护固件和应用程序的完整性，并为上层软件提供一个不可篡改的信任根。 --- 总结： 本书提供了一条从晶体管级抽象到系统级优化的清晰路径，致力于培养读者对现代计算系统“为什么这样设计”的深刻理解，而非仅仅停留在“如何使用”的层面。通过对先进架构和底层机制的透彻解析，读者将能够设计出充分利用现代硬件潜力的、高性能、高效率的软件系统。
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