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出版者:清华大学出版社

作者:姬成强

出品人:

页数:244

译者:

出版时间:2004-4-1

价格:20.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302073338

丛书系列:

图书标签:

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• 技能提升
• 实用指南

《深入理解计算机系统：从硬件到软件的全面解析》 书籍简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且连贯的视角，以理解现代计算机系统是如何从最底层的电子元件构建、运行，直到支撑起我们日常所见的应用软件。我们摒弃了零散的知识点堆砌，而是力求构建一个从物理层面到抽象软件层面的完整知识体系，帮助读者真正掌握“计算机是如何工作的”这一核心问题。 第一部分：信息的基石与底层逻辑 (The Foundation of Information and Low-Level Logic) 第一章：二进制世界的构建 (Building the Binary World) 本章将彻底剖析数字逻辑的基础，不再满足于简单介绍二进制，而是深入探讨晶体管作为电子开关的工作原理，以及如何利用这些开关构建出更复杂的逻辑门（与、或、非、异或）。我们将详细讲解布尔代数在硬件设计中的应用，以及如何使用卡诺图等方法进行逻辑优化。随后，我们将从逻辑门出发，层层递进，构建出半加器、全加器，直至多位算术逻辑单元（ALU）的基本结构。读者将清晰地看到，所有复杂的数据处理，其根源都建立在对电信号的精确控制之上。 第二章：存储的层次结构与内存管理 (Memory Hierarchy and Management) 计算机的速度差异，很大程度上来源于存储系统的延迟。本章将细致阐述现代计算机存储的“金字塔”结构：从速度最快但容量最小的寄存器（Register），到高速的SRAM（作为高速缓存Cache），再到主流的DRAM（主内存），直至慢速但大容量的固态硬盘（SSD）和机械硬盘（HDD）。重点分析高速缓存的工作机制，包括缓存行、直接映射、组相联映射、全相联映射等策略，以及写分配（Write Allocate）和写回（Write Back）等写入策略如何影响程序性能。在内存管理方面，我们将深入讲解虚拟内存的概念，包括地址翻译过程（MMU的工作）、页表结构，以及缺页中断的处理流程，揭示操作系统如何为每个进程提供一个独立、连续的地址空间。 第三章：中央处理器的内部奥秘 (The Inner Workings of the CPU) 本章是理解计算执行效率的关键。我们将拆解现代处理器的流水线架构（Pipeline），详细分析指令级并行（ILP）的实现方式，包括数据冒险、控制冒险及其解决方案（如分支预测）。深入探讨乱序执行（Out-of-Order Execution）的复杂性，以及寄存器重命名等技术如何最大限度地提高指令吞吐量。同时，本章也会介绍指令集架构（ISA）的基本概念，对比精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）的设计哲学及其对编译和性能的影响。 第二部分：系统软件的桥梁 (The Bridge of System Software) 第四章：汇编语言与机器指令 (Assembly Language and Machine Instructions) 为了真正理解高级语言是如何转化为硬件可执行的动作，本章将以主流架构（如x86-64或ARM）为例，系统学习汇编语言的语法、寻址模式和基本指令集。我们将讲解函数调用约定（Calling Conventions）——包括参数传递、栈帧的建立与销毁——这是理解程序执行流和调试复杂程序的基础。通过手动编写简单的汇编程序，读者将直观地体验到编译器优化的价值与必要性。 第五章：操作系统：资源调度的核心 (The Operating System: Core of Resource Scheduling) 本章聚焦于操作系统的核心功能。我们将详细分析进程与线程的概念及其在内核中的表示，理解上下文切换的开销与原理。重点剖析CPU调度算法（如FCFS、SJF、轮转时间片、优先级调度）的设计目标和权衡。在并发控制方面，我们将深入探讨并发访问共享数据带来的挑战（如竞态条件），并讲解锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量等同步原语的底层实现和正确使用方法，帮助读者避免死锁与活锁。 第六章：链接、加载与程序启动 (Linking, Loading, and Program Startup) 许多开发者对程序如何从磁盘文件变成内存中可执行的代码感到困惑。本章将系统讲解静态链接与动态链接的区别。深入剖析目标文件格式（如ELF或PE），解释`.text`, `.data`, `.bss`等段的含义。详细描述加载器（Loader）的工作流程，包括如何解析依赖库、重定位符号地址，以及共享库（Shared Libraries/DLLs）的按需加载机制，这对于理解程序启动速度和内存占用至关重要。 第三部分：高效编程与数据流 (Efficient Programming and Data Flow) 第七章：C语言的内存模型与指针艺术 (The C Memory Model and Pointer Arithmetic) 虽然本书并非C语言教程，但C语言因其对内存的直接控制能力，成为理解系统底层机制的最佳载体。本章将严谨地定义C语言的内存模型，清晰区分栈（Stack）、堆（Heap）和数据段的边界。重点解析指针的真正含义——内存地址的抽象表达，以及指针算术在数组遍历中的应用。我们将探讨结构体（Struct）的内存对齐（Padding）与位域（Bit Field）如何影响数据布局和访问效率。 第八章：文件系统与I/O操作 (File Systems and I/O Operations) 本章探索数据如何在持久化存储上组织和检索。我们将分析主流文件系统的结构，如索引节点（Inode）的工作原理、目录结构、数据块的分配策略。深入讲解系统调用（System Calls）如何作为用户程序与内核交互的接口，特别是在文件读写操作中，数据的拷贝路径（如零拷贝技术的概念）如何影响I/O性能。我们还将讨论缓冲（Buffering）和缓存（Caching）在提高文件系统效率中的作用。 第九章：网络通信的抽象层级 (The Abstraction Layers of Network Communication) 本章将计算机系统扩展到网络环境。我们将遵循TCP/IP协议栈的五层或七层模型，详细解析每一层的功能。重点分析IP寻址、子网划分、路由机制，以及TCP协议中的三次握手、四次挥手、流量控制（滑动窗口）和拥塞控制算法（如慢启动、快重传）。通过理解这些底层协议，读者能更好地设计高性能的网络应用，并洞察网络延迟的真正来源。 结语 本书旨在为读者提供一个坚实的技术基础，使他们不仅能“使用”计算机，更能“设计”和“优化”计算机系统。掌握这些知识，将使您在面对任何软件开发挑战时，都能从更深层次思考解决方案，做出更优的性能和资源分配决策。

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