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出版者:清華大學齣版社

作者:張曉

出品人:

頁數:285

译者:

出版時間:2001-3

價格:25.00元

裝幀:

isbn號碼:9787302041832

叢書系列:

圖書標籤:

• 電腦DIY
• 硬件
• 組裝
• 維修
• 升級
• 電腦知識
• 2001
• 入門
• 教程
• 電腦硬件

計算機係統與硬件深度解析：從基礎架構到前沿技術 本書旨在為所有對計算機底層運作原理懷有濃厚興趣的讀者，提供一套全麵、深入且結構清晰的知識體係。它將帶領你跨越繁復的術語和概念迷霧，直抵現代計算機係統的核心。我們聚焦於硬件的物理實現、軟件與硬件之間的交互機製，以及支撐這一切的電子學基礎。 第一部分：電子學與數字邏輯的基石 本捲開篇，我們將從最基礎的物理層麵探討計算機的運作。數字世界並非憑空齣現，它根植於精密的電子學原理。我們將詳細解析半導體物理學的基礎，理解晶體管如何作為電子世界的開關和放大器，這是所有集成電路的基石。 隨後，我們將進入數字邏輯的殿堂。布爾代數不再是抽象的數學遊戲，而是構建信息世界的藍圖。我們會細緻講解邏輯門（AND, OR, NOT, XOR等）的設計與功能，並展示如何利用這些基本單元，通過組閤邏輯電路，實現加法器、譯碼器和多路選擇器等核心功能模塊。接著，我們將轉嚮時序邏輯，深入探討觸發器（Flip-Flops）的種類及其在存儲信息中的關鍵作用，這是構建內存和狀態機的基礎。 更進一步，我們會講解有限狀態機（FSM）的設計方法論，演示如何用狀態圖和狀態錶來規範化復雜的控製邏輯。理解這些基礎，是透視CPU內部工作流程的前提。我們會輔以大量實際的邏輯電路圖示和仿真分析，確保讀者能夠從“開關”層麵理解“計算”的發生。 第二部分：CPU架構與指令集深入剖析 本部分將聚焦於計算機的“大腦”——中央處理器（CPU）。我們將從最經典的馮·諾依曼架構入手，詳細闡述程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、通用寄存器組以及存儲器尋址機製的工作流程。 深入到微架構層麵，本書將以現代高性能處理器為藍本，剖析流水綫（Pipeline）技術如何通過並行處理提升效率。我們將詳盡分析流水綫衝突（數據冒險、控製冒險）的類型，並闡述諸如分支預測（Branch Prediction）和亂序執行（Out-of-Order Execution）等高級技術如何剋服這些瓶頸，實現指令級的並行。 指令集架構（ISA）是軟硬件的契約。我們將對比精簡指令集計算機（RISC）與復雜指令集計算機（CISC）的設計哲學，並以一個典型的RISC-V或類MIPS架構為例，逐一解析數據傳輸指令、算術邏輯指令、控製流指令的編碼格式、操作數類型以及執行周期。讀者將學會如何閱讀和理解匯編語言，並將其映射迴機器碼。 內存層級結構是性能優化的關鍵。我們將細緻講解高速緩存（Cache）的工作原理，包括其組織形式（直接映射、組相聯、全相聯）、替換策略（LRU、FIFO）以及寫迴/寫穿策略。理解緩存命中率和局部性原理，對於優化程序性能至關重要。同時，虛擬內存係統及其地址翻譯過程，包括頁錶（Page Table）的結構和TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用，也將得到詳盡的講解，揭示操作係統如何為每個進程提供獨立且受保護的地址空間。 第三部分：係統互聯與I/O機製 一颱計算機的性能不僅僅取決於CPU，係統內各個組件的高效通信也至關重要。本部分將係統性地介紹係統總綫結構。我們會討論地址總綫、數據總綫和控製總綫的物理意義和帶寬限製。 我們將深入探討現代高性能總綫標準（如PCI Express的通道化和交換架構），解析其序列化傳輸的優勢。對於存儲係統，我們將詳述固態硬盤（SSD）的工作原理，包括NAND閃存的讀寫特性、磨損均衡（Wear Leveling）算法，以及SATA/NVMe協議棧如何管理數據塊的存取。 輸入/輸齣（I/O）管理是操作係統與硬件交互的另一核心領域。本書將闡述中斷（Interrupt）和輪詢（Polling）機製的區彆與適用場景，並重點講解直接內存訪問（DMA）技術，分析DMA如何解放CPU，實現高效的數據傳輸。此外，我們將探討I/O控製器和設備驅動程序在整個係統生態中所扮演的關鍵角色。 第四部分：存儲器技術與可靠性 本部分將全麵考察計算機的存儲體係。從易失性的主存儲器入手，我們會深入DRAM（動態隨機存取存儲器）的刷新周期和行/列尋址機製，理解其與CPU速度的巨大差距。 對於非易失性存儲，我們將迴顧傳統硬盤驅動器（HDD）的磁頭尋道、扇區讀寫原理。隨後，重點轉嚮當前主流的閃存技術。我們會詳細介紹SLC、MLC、TLC乃至QLC的存儲密度、讀寫速度和壽命差異。更重要的是，我們將解析錯誤校驗碼（ECC）在確保數據完整性方麵的重要性，以及閃存控製器如何管理壞塊（Bad Block Management）。 在係統層麵，我們會探討RAID（獨立磁盤冗餘陣列）的各種級彆（如RAID 0, 1, 5, 6, 10）在性能、冗餘和容量之間的權衡，為讀者提供構建高可靠存儲係統的理論基礎。 第五部分：並行計算與未來展望 為瞭應對日益增長的計算需求，現代計算機正朝著並行化方嚮發展。本部分將介紹多核CPU的架構，包括片上緩存（L1, L2, L3）在多核係統中的共享與一緻性問題（Cache Coherency）。我們將討論緩存一緻性協議，如MESI協議，以及它們如何維護係統數據的正確性。 最後，本書將對新興的計算範式進行展望，包括GPU（圖形處理器）的SIMT（單指令多綫程）架構如何使其成為異構計算的主力，以及未來可能的計算範式，如量子計算的物理基礎和對現有計算模型的潛在顛覆。 本書的編寫風格力求嚴謹而又不失可讀性，旨在提供一個既能滿足專業人士深入鑽研需求，又能引導愛好者紮實入門的綜閤性技術參考。通過本書的學習，讀者將不再將計算機視為一個神秘的“黑箱”，而是能夠清晰地洞察其內部每一根綫路和每一個邏輯單元的精確功能。

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