计算机组织与结构

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出版者:北京大学
作者:邵秉章
出品人:
页数:231 页
译者:
出版时间:2000年02月
价格:9
装帧:平装
isbn号码:9787301000120
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机组成原理
  • 计算机体系结构
  • 数字逻辑
  • 汇编语言
  • 存储系统
  • 输入输出系统
  • CPU
  • 流水线
  • Cache
  • 计算机硬件
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具体描述

《数字信号处理基础与应用》 作者:李明 著 出版社:科学技术文献出版社 版次:2023年第一版 --- 概述 《数字信号处理基础与应用》是一本全面、深入探讨现代数字信号处理(DSP)理论、算法及其在工程实践中应用的权威教材。本书旨在为电子工程、通信工程、计算机科学、自动化控制以及声学、图像处理等相关领域的学生、研究人员和工程师提供一个坚实而系统的知识框架。 本书的编排逻辑清晰,从最基本的离散时间信号和系统概念入手,逐步过渡到傅里叶分析、Z变换、数字滤波器设计,直至高级的快速傅里叶变换(FFT)算法和自适应滤波技术。内容覆盖了理论推导、算法实现和实际案例分析,强调理论与实践的紧密结合。 --- 第一部分:离散时间信号与系统(Discrete-Time Signals and Systems) 本部分是理解整个数字信号处理领域的基础。我们首先精确定义了连续时间信号(CT)和离散时间信号(DT)的区别与联系,重点阐述了采样定理(Nyquist-Shannon Sampling Theorem)的理论意义和实际操作中的限制,包括混叠(Aliasing)现象的成因与避免策略。 离散时间信号表示与操作: 详细介绍了序列的表示形式(如单位脉冲序列、单位阶跃序列)以及基本的时域操作,如移位、翻转、乘积和卷积。通过大量的图示和例子,使读者直观理解信号的时域特性。 线性时不变系统(LTI Systems): 这是信号处理的核心。系统通过差分方程进行描述,重点讲解了系统的因果性、稳定性判据(如BIBO稳定性)。卷积和是分析LTI系统的核心工具,本书用严格的数学推导阐明了卷积和的性质,并展示了如何利用卷积和来预测系统的输出响应。 系统的表示方法: 介绍了信号流图(Signal Flow Graphs)和模块化框图,为后续讨论数字滤波器的实现结构(如直接型、并行型、级联型)奠定了基础。 --- 第二部分:频域分析工具(Frequency Domain Analysis Tools) 频域分析是DSP的精髓所在,它将复杂的时域运算转化为相对简单的频域运算。本部分详尽介绍了两种关键的变换工具。 离散时间傅里叶变换(DTFT): 详细推导了DTFT的定义、收敛条件及其重要性质。特别强调了DTFT在分析离散时间信号的频率内容方面的作用,以及其周期性频谱的特性。 离散傅里叶变换(DFT)与快速傅里叶变换(FFT): DFT是DTFT在有限长序列上的离散化应用。本书深入探讨了DFT的计算复杂度问题,并详尽介绍了实现高效计算的快速傅里叶变换(FFT)算法,特别是经典的Cooley-Tukey分段算法(蝶形运算)。不仅提供了算法的原理分析,还包含了不同FFT点数(如2的幂次方)的实现要点,帮助读者理解谱泄漏(Spectral Leakage)现象及其对DFT结果的影响,并介绍了加窗函数(Windowing Functions)的选取与应用。 Z变换: Z变换是分析离散时间系统和不稳定信号的终极数学工具。本书全面覆盖了单边Z变换和双边Z变换,定义了收敛域(ROC)的概念,并详细阐述了ROC在判断系统稳定性、因果性方面的关键作用。傅里叶变换被视为Z变换在单位圆上的特例,这为两者联系提供了严密的数学基础。 --- 第三部分:数字滤波器设计(Digital Filter Design) 本部分是DSP应用最为集中的领域,涵盖了从理论到实践的滤波器设计全流程。 IIR 滤波器设计: 针对无限脉冲响应(IIR)滤波器,本书主要介绍了模拟滤波器原型(如巴特沃斯、切比雪夫)的设计方法。重点讲解了双线性变换法(Bilinear Transformation),这是将连续时间滤波器转换为离散时间滤波器最常用的方法。对预翘曲(Prewarping)技术进行了详细说明,以保证频率响应的准确匹配。 FIR 滤波器设计: 有限脉冲响应(FIR)滤波器因其内在的线性相位特性而备受青睐。本书主要探讨了窗函数法(如矩形窗、汉宁窗、海明窗)和频率采样法。通过实例对比了不同窗函数对过渡带宽度和阻带衰减的影响,指导读者根据性能要求进行优化选择。 滤波器性能评估与量化效应: 讨论了滤波器系数的量化对滤波器性能(如通带纹波、阻带衰减)的影响,这是嵌入式和硬件实现中必须考虑的关键因素。 --- 第四部分:高级主题与应用(Advanced Topics and Applications) 本部分拓展了DSP的实用技术,为读者进入专业领域做好准备。 多相滤波与子带编码: 深入探讨了抽取(Decimation)和插值(Interpolation)操作,特别是高效的多相分解结构,这在软件定义无线电(SDR)和通信系统中至关重要。 自适应滤波理论: 这是DSP领域的前沿技术之一。本书介绍了维纳滤波理论作为最优线性估计的基础。重点讲解了最小均方(LMS)算法及其变种(如归一化LMS),阐述了其在噪声消除、回声消除和信道均衡等领域的应用机制。 随机信号处理基础: 引入了随机过程的概念,如宽平稳随机过程(WSS),并讨论了功率谱密度(PSD)的估计方法。这为处理真实世界中固有的噪声信号奠定了理论基础。 --- 本书特色 1. 理论的严谨性与工程的实用性并重: 每一个理论推导后都紧跟实际应用案例,如音频压缩中的预加重、雷达信号中的脉冲压缩等。 2. 图文并茂的解释: 大量使用清晰的系统框图、Z平面图和频域响应图,辅助复杂的数学概念理解。 3. 软件实现指导(附录): 提供了使用主流数值计算工具(如MATLAB/Octave)实现关键算法(如FFT、FIR/IIR设计)的代码示例和步骤说明,强调“算”与“用”的结合。 《数字信号处理基础与应用》不仅是一本教科书,更是一本面向工程实践的参考手册,致力于培养读者利用数学工具分析和解决实际信号处理问题的能力。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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一直以来,我对计算机的内部运作机制都充满了好奇。虽然我是一名普通的软件工程师,日常工作主要围绕着编写代码、调试程序,但总觉得对这台每天陪伴我工作的机器的“骨骼”和“血脉”了解不够深入。最近,我终于有机会开始研读一本名为《计算机组织与结构》的书籍,它就像一把钥匙,为我打开了通往计算机世界深层结构的大门。这本书并非一本纯粹的理论书籍,它以一种非常系统化的方式,将计算机这个复杂的整体分解成一个个相互关联的部分,并详细阐述了它们是如何协同工作的。从最底层的逻辑门电路,到CPU的内部构造,再到存储器的工作原理,以及各种总线和I/O设备的连接方式,这本书都给予了详尽的讲解。 更让我印象深刻的是,作者并非仅仅罗列了各种技术名词和概念,而是着重于解释这些技术背后的设计思想和权衡。例如,在讲解CPU的流水线技术时,我不仅了解了它是如何通过同时处理指令的不同阶段来提高效率的,还理解了它所带来的挑战,比如数据冒险和控制冒险,以及这些问题又是如何通过各种转发技术和分支预测技术来解决的。这种深入的剖析让我能够更深刻地理解为什么计算机的架构会是这个样子,以及在设计时需要考虑哪些关键因素。这本书的语言风格也十分到位,虽然涉及大量技术细节,但作者总是能用清晰易懂的方式进行解释,辅以大量的图示和实例,使得原本枯燥的技术概念变得生动有趣,也更容易被我这样的非硬件专业人士所吸收。

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《计算机组织与结构》这本书给我带来的最大感受是,它真正地将“软”与“硬”的界限模糊化了,让我看到了软件的运行是建立在坚实的硬件基础之上的。以前,我可能更专注于算法的效率和数据结构的优化,但这本书让我意识到,即使算法再精妙,如果底层的硬件资源分配不当,或者没有充分利用硬件的特性,也无法达到最佳的性能。书中关于I/O系统和总线的章节,详细介绍了数据如何在CPU、内存和外设之间传输,以及DMA(直接内存访问)这样的技术是如何绕过CPU,直接进行数据传输,从而解放CPU的。 我特别对书中关于中断处理和异常处理的讲解印象深刻。理解这些机制,让我明白了程序是如何与硬件进行交互的,以及操作系统是如何管理和调度这些硬件资源的。当一个设备需要CPU服务时,它是如何通过中断请求来通知CPU的,CPU又是如何暂停当前任务,转而去执行中断服务程序的。这种对事件驱动和异步处理的理解,对于我理解操作系统的多任务处理和实时性系统非常有帮助。这本书就像一个向导,带我一步步揭开了计算机内部神秘的面纱,让我对这个日新月异的领域有了更深刻的敬畏感。

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自从我开始翻阅《计算机组织与结构》这本书,我对计算机科学的理解就进入了一个全新的维度。它不仅仅是在教我知识,更是在培养我一种“系统性思维”的能力。我开始能够从更高的层次去审视我所编写的程序,思考它们在底层硬件上的运行轨迹,以及是否存在更优化的硬件交互方式。例如,书中关于缓存一致性协议的介绍,让我开始理解在多核处理器环境下,如何避免数据在不同处理器核心之间的不一致问题。 这本书在解释虚拟存储器时,也给我留下了深刻的印象。它通过分页和分段等技术,使得程序能够访问比实际物理内存更大的地址空间,并且实现了内存的保护和共享。理解这些概念,让我对现代操作系统如何管理内存有了更深的认识,也为我理解进程隔离和内存安全打下了基础。这本书的逻辑性非常强,每个章节都建立在前一章的基础上,层层递进,使得整个学习过程非常顺畅,就像在攀登一座知识的高峰,每一步都充满了发现的喜悦。

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《计算机组织与结构》这本书给我最大的启示是,计算机的复杂性并非是杂乱无章的,而是建立在一系列清晰的原则和精巧的设计之上。书中关于总线结构、中断机制以及I/O设备的连接方式的讲解,让我明白了各种计算机组件是如何协同工作的,以及为什么它们会以特定的方式进行交互。例如,理解中断是如何工作的,让我能更深刻地理解操作系统是如何管理硬件资源的,以及如何实现多任务的并发执行。 这本书在解释虚拟存储器时,也给我留下了深刻的印象。它通过分页和分段等技术,使得程序能够访问比实际物理内存更大的地址空间,并且实现了内存的保护和共享。理解这些概念,让我对现代操作系统如何管理内存有了更深的认识,也为我理解进程隔离和内存安全打下了基础。这本书的逻辑性非常强,每个章节都建立在前一章的基础上,层层递进,使得整个学习过程非常顺畅,就像在攀登一座知识的高峰,每一步都充满了发现的喜悦。

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我一直在寻找一本能够系统性地梳理计算机工作原理的书籍,而《计算机组织与结构》恰好满足了我的需求。它不仅仅是一本介绍硬件组件的书,更是一本关于系统设计和优化的哲学书籍。在阅读的过程中,我发现许多在软件开发中遇到的性能瓶颈,都可以追溯到硬件层面的设计和限制。比如,函数调用时栈帧的创建和销毁,在底层是如何通过寄存器和内存操作来实现的,以及这种操作对性能可能带来的开销。 书中对CPU内部数据通路和控制单元的讲解,让我对指令的执行流程有了前所未有的清晰认识。从指令的获取、译码,到执行、写回,每一个环节都充满了精巧的设计。特别是关于寄存器的使用,以及它们与内存之间的配合,让我理解了为什么程序员需要关注数据的存放位置和访问方式。这本书的语言风格非常严谨,但又不失易读性,大量的图表和流程图更是帮助我将抽象的概念具象化,有效地避免了信息过载。

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《计算机组织与结构》这本书对我而言,更像是一本“武功秘籍”,它揭示了计算机运行的内在规律,让我得以窥探到其“内功心法”。书中对于CPU指令执行过程的细致描绘,比如指令的获取、解码、执行、访存和写回等阶段,以及流水线技术如何提高指令执行效率,都让我惊叹于计算机设计的精妙。特别是对分支预测和乱序执行等技术的讲解,让我理解了现代CPU是如何通过“预判”和“重排”来最大化利用硬件资源的。 此外,关于存储器层次结构的讲解,从寄存器、多级缓存到主内存,再到外存储器,以及它们之间的数据流动和同步机制,也让我受益匪浅。我学会了如何从硬件的角度去思考程序的性能问题,比如如何通过优化数据局部性来提高缓存命中率。这本书的语言风格非常专业,但又不失易懂性,大量的图表和表格帮助我梳理复杂的概念,让我能够在短时间内掌握计算机组织和结构的核心要点。

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在我看来,一本优秀的计算机科学教材,不仅要教授“是什么”,更要解释“为什么”。《计算机组织与结构》这本书在这方面做得尤为出色。它没有让我感到被一堆抽象的概念所淹没,而是循序渐进地引导我理解计算机是如何从最基础的逻辑运算构建起一个复杂的系统。我尤其欣赏书中对于指令集架构(ISA)的讨论,它详细阐述了不同类型的指令如何影响程序的执行效率,以及RISC和CISC指令集各自的优缺点。这让我开始思考,在编写代码时,我们所使用的指令,在底层是如何被CPU解码和执行的,以及我们的编程习惯可能会对底层硬件产生怎样的影响。 此外,书中关于存储器的层次结构,从CPU缓存到主存再到外存,以及它们之间的协同工作机制,也让我大开眼界。我之前总是习惯性地认为“内存”就是内存,并没有深入思考过CPU内部为何会有那么多的缓存,以及这些缓存是如何工作的。这本书详细解释了缓存的作用,包括其容量、速度以及替换算法(如LRU),这让我明白了为什么有时优化内存访问模式能够显著提升程序的性能。这种对底层细节的挖掘,让我对计算机的效率提升有了更直观的认识,也为我今后进行性能调优提供了理论基础。

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《计算机组织与结构》这本书的魅力在于,它能够将计算机这个庞大而复杂的机器,分解成一个个可理解的组件,并解释它们之间是如何协作的。我尤其对书中关于并行处理和多线程的讨论感到着迷。它不仅解释了多核CPU是如何工作的,还深入探讨了如何通过共享内存和消息传递等方式来实现线程间的通信和同步。这对于我理解并发编程中的难点,比如死锁和竞态条件,提供了重要的理论指导。 书中对输入输出(I/O)设备的介绍,也让我耳目一新。它详细阐述了各种I/O设备的接口标准,以及它们与CPU和内存之间的数据传输方式,包括同步I/O、异步I/O和DMA等。这让我明白,为什么不同的设备会有不同的响应速度,以及如何通过合理的设计来提高I/O的效率。这本书的图文并茂,使得抽象的概念易于理解,大大增强了我的学习兴趣和动力。

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我一直在寻找一本能够系统性地梳理计算机工作原理的书籍,而《计算机组织与结构》恰好满足了我的需求。它不仅仅是一本介绍硬件组件的书,更是一本关于系统设计和优化的哲学书籍。在阅读的过程中,我发现许多在软件开发中遇到的性能瓶颈,都可以追溯到硬件层面的设计和限制。比如,函数调用时栈帧的创建和销毁,在底层是如何通过寄存器和内存操作来实现的,以及这种操作对性能可能带来的开销。 书中对CPU内部数据通路和控制单元的讲解,让我对指令的执行流程有了前所未有的清晰认识。从指令的获取、译码,到执行、写回,每一个环节都充满了精巧的设计。特别是关于寄存器的使用,以及它们与内存之间的配合,让我理解了为什么程序员需要关注数据的存放位置和访问方式。这本书的语言风格非常严谨,但又不失易读性,大量的图表和流程图更是帮助我将抽象的概念具象化,有效地避免了信息过载。

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在我看来,《计算机组织与结构》这本书提供了一个非常扎实的计算机底层知识体系。它涵盖了从最基本的逻辑门电路到复杂的CPU流水线设计,再到存储器管理和I/O系统,提供了一个全面的视角。我尤其欣赏书中对性能优化的讲解,它不仅列举了各种优化技术,更重要的是解释了这些技术背后的原理。例如,理解CPU缓存的工作机制,让我能够更好地优化我的代码,减少缓存未命中(cache miss)的发生。 书中关于指令集架构(ISA)的详细分析,让我对不同CPU的设计理念有了更深的认识。RISC和CISC指令集的对比,以及它们在性能和复杂性上的权衡,让我对计算机体系结构的发展历程有了更清晰的认识。这本书的叙述方式非常清晰,逻辑严谨,而且辅以大量的图示和实例,使得学习过程既高效又有趣。它让我明白,要成为一名优秀的计算机从业者,仅仅掌握编程语言是远远不够的,对计算机底层原理的深刻理解至关重要。

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