计算机系统结构典型题解析与实战模拟

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出版者:
作者:张春元
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2005-7
价格:29.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787810247443
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机系统结构
  • 计算机组成原理
  • 汇编语言
  • 模拟器
  • 实战
  • 典型题
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具体描述

计算机系统结构:洞悉硬件软件协同之道 《计算机系统结构:洞悉硬件软件协同之道》 并非一本仅仅罗列概念或习题的书籍。它致力于引领读者深入理解计算机系统最核心的运作机制,揭示硬件与软件之间错综复杂的互动关系,以及这种关系如何影响和塑造着我们如今所知的计算能力。本书旨在为计算机科学领域的学习者和从业者提供一套坚实而全面的理论框架,并辅以富有启发性的实践指导。 一、 核心概念的深度解析 本书从最基础的层面出发,层层递进,对计算机系统结构的关键概念进行深入浅出的剖析。 指令集体系结构(ISA): 我们将详细探讨不同ISA的设计哲学,例如RISC与CISC的区别,它们各自的优势与劣势,以及ISA如何成为硬件与软件之间的桥梁。理解ISA的设计权衡,对于编写高效的底层代码至关重要。 处理器设计: 从单周期CPU到流水线、超标量、乱序执行等先进处理器技术,我们将逐一解析其工作原理、性能提升机制以及带来的挑战。读者将了解到CPU如何通过指令的并行执行、分支预测、缓存等技术不断突破性能瓶颈。 存储器层次结构: 缓存(Cache)作为提升处理器访存效率的关键,其工作原理、组织方式(直接映射、组相联、全相联)、替换策略(LRU、FIFO)以及写回/写通策略都将得到详尽的阐述。此外,虚拟存储器、TLB(Translation Lookaside Buffer)等概念也将被深入讲解,揭示其如何管理和保护内存空间,以及在性能和安全性上的考量。 输入/输出(I/O)系统: 从早期的轮询、中断方式,到DMA(Direct Memory Access)等高效的数据传输机制,本书将系统性地介绍I/O系统的工作原理,以及设备控制器、总线等组件在I/O过程中的作用。 并行处理与多核技术: 随着摩尔定律的演进,多核处理器已成为主流。本书将探讨不同类型的并行处理架构,如共享内存多处理器、分布式内存系统,以及多线程、进程同步、缓存一致性等关键概念,帮助读者理解如何在多核环境下编写并行程序以充分发挥硬件性能。 二、 理论与实践的紧密结合 理论知识的掌握固然重要,但缺乏实践的支撑则难以触及本质。《计算机系统结构:洞悉硬件软件协同之道》强调理论与实践的融会贯通。 性能评估与优化: 我们将介绍多种性能度量指标,并引导读者学会如何分析程序在特定硬件上的性能瓶颈。通过理解流水线中的冒险、缓存未命中等问题,学习如何调整算法、数据结构或代码实现来优化程序性能。 编译器与操作系统的协同: 本书还将探讨编译器如何将高级语言转化为机器指令,以及操作系统如何管理硬件资源。理解这两者之间的协同关系,有助于读者更好地利用软硬件的优势。 案例分析与前沿技术展望: 通过分析经典处理器架构的设计案例,以及对当前热门技术如GPU计算、向量指令集(SIMD)、新一代存储技术等的探讨,本书力求让读者保持对计算机系统结构前沿动态的关注。 三、 培养系统性思维与问题解决能力 学习计算机系统结构,不仅是掌握知识点,更是培养一种系统性的思维模式。本书鼓励读者: 建立硬件与软件之间的联系: 理解软件的性能高度依赖于底层硬件的特性,反之亦然。 进行抽象与分解: 将复杂的系统分解为易于理解的模块,并在此基础上进行分析和设计。 培养性能优化的意识: 在任何计算任务中,都应将性能作为重要的考量因素。 提升问题诊断和解决的能力: 面对程序运行缓慢或出现异常时,能够从系统结构的角度寻找根源。 《计算机系统结构:洞悉硬件软件协同之道》是一本面向所有希望深入理解计算本质的读者的指南。无论您是初入计算机科学殿堂的学生,还是希望提升技术实力的软件工程师、硬件工程师,亦或是对计算原理充满好奇的研究者,本书都将为您打开一扇通往更高层次理解的大门。它将赋能您不仅是“使用”计算机,更是“理解”并“驾驭”它。

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目录信息

读后感

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用户评价

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《计算机系统结构典型题解析与实战模拟》在讲解超标量处理器和动态调度方面,可谓是教科书级别的。在此之前,我对超标量处理器的理解,主要停留在“可以同时执行多条指令”这个层面,但其背后的复杂机制,如指令级并行(ILP)、乱序执行(Out-of-Order Execution)、分支预测等,我总是觉得难以掌握。这本书的解析部分,详细阐述了这些概念的原理和实现方式,例如,如何通过重排序缓冲(ROB)、保留站(Reservation Station)等硬件结构来实现指令的乱序执行,以及如何通过猜测执行和回滚机制来处理分支预测失误。让我感到非常兴奋的是,书中提供了大量的实战模拟题,让我能够亲身体验超标量处理器的运行过程。我特别喜欢书中关于“ Tomasulo算法”的详细讲解和模拟,这让我能够清晰地理解指令如何被调度、执行,以及如何解决数据相关性问题。通过这些模拟练习,我不仅掌握了超标量处理器的核心技术,更重要的是,我学会了如何从性能优化的角度去理解指令调度和处理器设计,这对于我理解现代CPU的强大性能非常有帮助。

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本书在对指令流水线技术进行解析和模拟方面,做得尤为出色。在我看来,流水线是计算机体系结构中一个既迷人又复杂的概念。一开始接触时,我总觉得流水线中的“冒险”问题,比如结构冒险、数据冒险和控制冒险,就像是难以逾越的障碍,每次做题都会被这些冲突搞得头昏脑涨,不知道如何正确地解决。而且,那些关于流水线性能的计算,比如吞吐率、加速比,看起来公式都很简单,但实际应用起来却常常出错。这本书的解析部分,非常细致地讲解了不同类型的流水线冒险,并提供了多种解决策略,比如转发、气泡插入、重排指令等,并且配以大量的图示和具体指令序列来演示这些策略是如何生效的。更重要的是,它提供了大量的实战模拟题,让我有机会亲手去分析一个指令序列在流水线中的执行过程,识别出所有的冒险,并应用学到的策略来解决它们。我特别喜欢书中关于“超长指令字”(VLIW)和“乱序执行”等高级流水线技术的内容,这些都帮助我理解了现代高性能处理器是如何通过更复杂的流水线设计来提升性能的。通过这些模拟练习,我不仅理解了流水线的工作原理,更重要的是,我学会了如何从性能优化的角度去思考指令的调度和流水线的配置,这对于我理解CPU的工作效率有着非凡的意义。

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读完《计算机系统结构典型题解析与实战模拟》之后,我最大的感受就是“豁然开朗”。在此之前,我对指令集架构(ISA)的理解,只限于知道它定义了处理器能够执行的指令,但具体的指令格式、寻址方式、寄存器组织等细节,总是让我混淆不清。尤其是RISC和CISC指令集的区别,以及它们各自的优缺点,我总是难以深入理解其背后的设计哲学和性能影响。在学习过程中,常常遇到各种指令转换、流水线冲突、缓存一致性等问题,感觉无从下手。这本书的解析部分,针对每一个典型问题都进行了深入剖析,从问题的根源、形成原因,到解决思路和具体步骤,都讲解得非常透彻。特别是那些关于动态分支预测、多级流水线优化、缓存替换算法的解析,让我对这些复杂的技术有了全新的认识。书中通过大量的实际案例和模拟题,将抽象的理论转化为具体的场景,我不再是孤立地记忆公式和概念,而是能够通过分析题目,理解这些概念是如何在实际系统中工作的。例如,在模拟题中遇到的指令流水线冒险问题,书中的解析详细说明了如何识别冒险类型,如何通过气泡插入或转发技术来解决,并且给出了具体的计算过程,让我能够亲手去模拟解决问题。这种“学以致用”的学习方式,极大地增强了我的学习信心和动力。

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这本书在对向量处理器和SIMD(Single Instruction, Multiple Data)指令集的解析与模拟方面,做得非常出色,为我打开了理解数据级并行(DLP)的新视角。在我看来,向量处理和SIMD指令是将同一条指令应用于多个数据项的并行处理方式,这在科学计算、图形处理等领域有着广泛的应用。然而,如何理解其指令格式、执行流程以及如何编写高效的向量化程序,我之前一直感到有些迷茫。这本书的解析部分,非常清晰地讲解了向量寄存器、向量指令的构成,以及SIMD指令集(如SSE、AVX)的特点和应用。更重要的是,它提供了一系列实战模拟题,让我能够亲手去模拟向量指令的执行过程,例如,如何将一个数组的元素进行累加,或者如何对一个图像进行滤波处理。我特别喜欢书中关于“向量化编译器”如何将标量代码转换为向量代码的解析,以及如何通过分析代码来发现并利用向量化机会。通过这些模拟练习,我不仅掌握了向量处理器和SIMD指令的核心概念,更重要的是,我学会了如何从数据并行的角度来思考和优化程序的性能,这对于我进行高性能计算和底层优化非常有帮助。

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本书在对数据通路设计与控制逻辑的解析上,给予了我非常直观和深入的理解。在我看来,CPU的设计是计算机系统结构中最核心也最复杂的部分之一,而数据通路和控制逻辑正是实现CPU功能的基础。我之前读过一些教材,虽然也提及了这些概念,但总觉得不够直观,难以将其与实际的电路实现联系起来。这本书通过大量图示和逐步推导的方式,详细讲解了数据通路的设计,包括ALU(算术逻辑单元)、寄存器堆、多路选择器等的构成和连接,以及控制信号是如何驱动这些组件完成指令执行的。我尤其欣赏书中针对不同指令(如加载、存储、分支、算术运算)的数据通路和控制信号时序的详细解析,这让我能够清晰地看到每一条指令是如何在硬件层面被一步步处理的。更令我惊喜的是,书中提供了大量的实战模拟题,让我能够自己动手去设计和分析简单的数据通路和控制逻辑,例如,如何根据指令的Opcode生成相应的控制信号。通过这些模拟练习,我不仅掌握了数据通路和控制逻辑的核心概念,更重要的是,我学会了如何从硬件实现的视角来理解指令的执行过程,这对于我理解CPU的工作原理和设计具有非常重要的意义。

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这本《计算机系统结构典型题解析与实战模拟》对我来说,简直是救星降临!在此之前,我对计算机系统结构的理解,就像雾里看花,朦朦胧胧,总觉得抓不住核心。那些理论知识,读起来枯燥乏味,概念繁多,抽象难懂,特别是涉及到流水线、存储器层次结构、并行处理这些核心概念时,更是让我头痛欲裂。每次看书,都像是走进了迷宫,绕来绕去,找不到出口。更别提去做那些习题了,简直是天书,根本不知道从何下手,也不知道自己理解的对不对。我尝试过好几本书,但都难以激起我的学习兴趣,很多书的习题都偏重于理论推导,缺乏实际的联系,看完之后感觉自己还是原地踏步。我深知系统结构的重要性,它是连接硬件和软件的桥梁,是理解计算机底层运行机制的关键,更是深入学习操作系统、编译原理等高级课程的基础。然而,那种“只闻其声,不见其形”的学习状态,让我感到非常焦虑。我渴望找到一本既能清晰讲解理论,又能通过大量实战模拟来巩固和检验学习效果的书籍,让我真正理解这些概念的实际应用,而不是仅仅停留在纸面上的死记硬背。这本书的出现,仿佛为我打开了一扇新的大门,让我看到了希望。

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《计算机系统结构典型题解析与实战模拟》在处理并行处理和多处理器系统这一块,给我带来了极大的启发。在此之前,我对并行处理的理解,更多地停留在“速度快”、“多个CPU一起工作”的直观认识上,但对于多核处理器、指令级并行(ILP)、线程级并行(TLP)和数据级并行(DLP)的具体实现机制,以及它们在不同应用场景下的性能表现,我总是觉得摸不着头脑。这本书通过清晰的解析,深入浅出地讲解了这些概念,特别是对于共享内存多处理器系统中的一致性问题,以及如何通过缓存一致性协议(如MESI、MOSI)来解决,让我茅塞顿开。书中丰富的实战模拟题,涵盖了从简单的多线程编程到复杂的向量处理器应用,让我能够亲身体验并行计算的魅力和挑战。我尤其喜欢书中关于“Symmetric Multiprocessing (SMP)”和“Non-Uniform Memory Access (NUMA)”架构的对比分析,以及它们在性能和可扩展性上的差异。通过这些模拟练习,我不仅理解了不同并行架构的设计原理,更重要的是,我学会了如何根据实际问题选择合适的并行策略,并分析其性能瓶颈。这种将理论知识转化为实践能力的学习过程,让我对计算机系统性能的提升有了更深刻的认识。

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《计算机系统结构典型题解析与实战模拟》在对操作系统与体系结构交互的理解上,为我打开了一扇新的窗户。长期以来,我认为操作系统和硬件结构是相对独立的学科,但这本书让我深刻认识到它们之间密不可分的联系。在解析部分,书中详细讲解了操作系统是如何利用流水线、缓存、中断等硬件特性来管理资源、调度进程的,以及这些硬件设计如何反过来影响操作系统的性能和效率。例如,对虚拟内存管理单元(MMU)的工作原理的深入剖析,以及操作系统如何通过页表、TLB(Translation Lookaside Buffer)等机制来实现高效的地址翻译,让我对内存管理有了全新的认识。更令我兴奋的是,书中提供了大量的实战模拟题,让我能够通过模拟操作系统对各种硬件事件的响应,来加深理解。我特别喜欢书中关于“中断处理”、“上下文切换”以及“I/O设备管理”这些与操作系统紧密相关的实战模拟,这些都帮助我理解了操作系统是如何在底层与硬件进行交互的。通过这些练习,我不仅掌握了操作系统与体系结构相互作用的核心概念,更重要的是,我学会了如何从一个更全面的视角来理解计算机系统的运作,这对于我进一步学习操作系统和底层开发非常有益。

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让我印象深刻的是,《计算机系统结构典型题解析与实战模拟》在处理存储器层次结构这一模块时,展现出了极高的专业性和实用性。过去,我对于缓存的理解,仅仅停留在“速度快”这个模糊的概念上,对于多级缓存的划分、缓存块的替换策略(如LRU、FIFO)、写策略(如写回、写通)以及一致性协议(如MESI)等细节,总是感到非常困惑,尤其是在面对各种面试题和考试题时,常常因为对这些细节把握不清而失分。这本书没有简单地罗列这些概念,而是通过生动的图示和详细的文字解析,深入浅出地阐述了它们的工作原理。书中针对各种缓存参数(如块大小、关联度、容量)对性能的影响进行了细致的分析,并给出了大量的实战模拟题,让我能够根据具体的场景,计算命中率、失效率,并分析不同策略对性能的影响。最让我惊喜的是,书中还包含了对各种存储器访问模式下的缓存行为预测的模拟,这使得我能够真正理解“局部性原理”在实际应用中的体现。通过反复练习这些模拟题,我不仅掌握了各种存储器技术的核心概念,更重要的是,我学会了如何从系统性能的角度去思考和优化存储器设计。这种将理论与实践紧密结合的方式,让我对计算机的底层运行机制有了更深刻的理解。

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这本书在解析计算机性能度量和优化方面,为我提供了宝贵的指导。在我看来,性能是计算机系统最核心的指标之一,但如何准确地度量和有效地优化性能,却是一个非常复杂的问题。我之前读过一些关于性能的书籍,但它们要么过于理论化,要么只是简单罗列一些性能指标,而没有深入讲解背后的原理和实际应用。这本书则不同,它不仅详细介绍了各种性能度量方法,比如时钟周期、IPC(每时钟周期指令数)、 CPI(每指令时钟周期数)等,还深入分析了它们之间的相互关系,以及如何利用这些指标来分析和诊断系统瓶颈。更让我惊喜的是,它提供了一系列实战模拟题,让我能够运用所学的知识,对给定的系统配置和应用场景,进行性能预测和优化。我特别喜欢书中关于“Ambdahl定律”和“Gustafson定律”在并行计算中的应用解析,这些都帮助我理解了并行化带来的实际收益以及其局限性。通过反复练习这些模拟题,我不仅掌握了常用的性能度量工具和技术,更重要的是,我学会了如何从系统整体的角度去思考性能优化问题,并能够针对性地提出有效的解决方案,这对我未来的学习和工作都非常有帮助。

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