计算机硬件基础实验 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:樊莉 编

出品人:

页数:130

译者:

出版时间:2009-8

价格:22.00元

装帧:

isbn号码:9787564027384

丛书系列:

图书标签:

• 计算机硬件
• 硬件基础
• 实验教学
• 计算机组成原理
• 数字电路
• 微机原理
• 实训
• 教学参考书
• 电子技术
• 基础实验

计算机系统设计与实现：从理论到实践的深度探索 本书聚焦于计算机系统架构的深层原理，内容涵盖了从底层硬件接口到上层操作系统内核的完整设计与实现路径。它并非一本侧重于特定组件（如内存或存储）的入门读物，而是一部系统性的、旨在培养读者构建复杂、高效计算环境能力的综合性著作。 --- 第一部分：数字逻辑与微架构基石 本书的开篇深入探讨了现代计算机系统的基础——数字逻辑和处理器微架构的演进与核心概念。我们避免了对基本布尔代数和逻辑门的时间浪费，直接进入到如何利用这些基础单元构建复杂运算单元的层面。 1.1 组合逻辑与时序电路的高级应用 本部分详细分析了数据通路（Datapath）的设计哲学。重点讨论了算术逻辑单元（ALU）如何通过组合电路实现复杂指令集（如乘法、除法和分支判断）的高速运算。随后，我们转向时序逻辑，解析了锁存器（Latches）和触发器（Flip-Flops）在寄存器堆（Register File）设计中的作用。特别地，书中通过一个可重构流水线（Reconfigurable Pipeline）的实例，展示了如何利用有限状态机（FSM）控制指令在不同执行阶段间的流动，并详细推导了流水线冒险（Pipeline Hazards）的检测与处理机制，包括静态和动态分支预测技术的实现细节。 1.2 指令集架构（ISA）的权衡与选择 我们深入对比了复杂指令集计算（CISC）与精简指令集计算（RISC）的设计哲学。本书的核心内容之一是一个定制化RISC-V子集的指令集设计过程。读者将跟随我们构建一个包含负载/存储、算术逻辑、系统调用接口的最小指令集，并分析该指令集在代码密度与解码复杂性之间的平衡点。我们详细阐述了操作码（Opcode）的分配策略、立即数（Immediate）的编码方式，以及如何设计出支持高效上下文切换的指令格式。 1.3 存储器层级结构的优化设计 现代处理器性能的瓶颈往往在于数据访问延迟。本书将存储器层级视为一个整体系统进行优化，而非孤立分析。 缓存一致性协议的实现：我们详细剖析了MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）协议的完整状态机转换图，并提供了基于嗅探（Snooping）机制的多核缓存同步的Verilog模型描述。特别关注了写入策略（Write-Through vs. Write-Back）对系统吞吐量的影响。 虚拟内存与地址翻译：本书超越了简单的页表查找，重点讨论了多级页表（Multi-Level Page Tables）的TLB（Translation Lookaside Buffer）缓存设计。我们提供了如何通过硬件加速TLB未命中（Miss）的机制，以及在系统调用层面如何利用特定的内存保护位（Protection Bits）实现用户态与内核态的隔离。 --- 第二部分：系统互联与外设交互 系统性能不仅仅取决于CPU的速度，更依赖于各个组件之间高效、可靠的数据传输能力。本部分侧重于总线结构、中断机制和I/O模型的构建。 2.1 高速系统总线与仲裁机制 本书分析了传统共享总线架构的局限性，进而引入了片上网络（Network-on-Chip, NoC）的基本拓扑结构（如Mesh和Torus）。我们重点讲解了事务级一致性（Transaction-Level Coherency）的实现，包括请求-响应握手机制。在总线仲裁方面，详细比较了轮询（Polling）、计数器（Counting）和链式（Daisy Chaining）仲裁器的性能差异，并提供了基于优先级的公平仲裁算法的详细流程图。 2.2 中断控制器与异常处理流水线 一个健壮的系统必须具备快速响应外部事件的能力。我们详细设计了一个可编程中断控制器（PIC），包括中断屏蔽、优先级编码和向量化处理的逻辑。书中关键内容是异常（Exception）与中断（Interrupt）的注入与清除机制：如何安全地暂停当前指令的执行，保存处理器状态（Context Saving），并确保在异常处理返回后，程序能恢复到精确中断点（Precise Interrupts）的状态。这涉及对指令发射队列（Issue Queue）和重排序缓冲区（Reorder Buffer）的深入理解。 2.3 存储器映射I/O与DMA控制器 本部分探讨了数据如何在处理器与外部设备之间无缝流动。我们对比了轮询（Polling）、中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）的效率。书中提供了一个DMA控制器的设计蓝图，该控制器负责发起对系统内存的突发传输（Burst Transfer）。我们分析了DMA请求如何与CPU的内存请求在总线上竞争，以及如何通过硬件设计来最小化数据传输对CPU主频的影响。 --- 第三部分：固件与启动序列解析 本章将系统视野提升至整个计算机启动过程，分析了从“按下电源按钮”到操作系统加载完成的每一个关键步骤。 3.1 固件（Firmware）的结构与初始化 本书不涉及操作系统内核的源码分析，而是聚焦于固件层，即BIOS/UEFI的前置阶段。我们详细阐述了POST（Power-On Self-Test）的执行流程，包括对内存控制器、芯片组和关键I/O资源的硬件初始化顺序。重点分析了UEFI的驱动模型，特别是图形输出协议（GOP）和启动服务（Boot Services）的退出机制。 3.2 硬件描述语言的系统级建模 为了验证上述架构设计，本书提供了使用高级硬件描述语言（如SystemVerilog）对关键模块进行结构级建模的方法。这部分内容是关于如何将抽象的微架构设计转化为可综合（Synthesizable）的代码，并利用仿真验证平台（如UVM）对系统启动过程进行端到端的测试，确保在硬件层面上的正确性。 --- 本书目标读者：具备汇编语言基础知识，希望深入理解现代处理器流水线、存储器层次结构、系统总线设计及底层启动流程的高级计算机科学或电子工程专业的学生与工程师。阅读本书后，读者将能够从指令集的角度，透视软件性能瓶颈的硬件根源，并具备设计定制化计算节点或高效嵌入式系统的初步能力。

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我一直对电脑的内部构造和运作方式感到好奇，但市面上很多关于计算机硬件的书籍要么过于理论化，要么过于零散。《计算机硬件基础实验》这本书，恰好填补了我一直以来的知识空白。它的最大亮点在于，它不仅仅是纸上谈兵，而是真正将理论与实践紧密结合。书中设计了一系列循序渐进的实验，从最基础的硬件识别和拆解，到更复杂的组件安装和性能测试，每一个实验都配有清晰的步骤说明和丰富的图片，让读者可以一步步地跟着操作。我印象特别深刻的是，在讲解如何安装CPU时，书中不仅详细说明了CPU针脚的对齐方式和安装方法，还特别提醒了安装过程中需要注意的压力适度和散热器的安装顺序，这些细节对于新手来说至关重要。而且，书中还提供了许多关于如何诊断和解决常见硬件问题的实用技巧，例如通过BIOS的自检提示来判断故障类型，或者使用内存诊断工具来检测内存条的健康状况，这些知识在日常使用中非常实用。这本书让我对计算机硬件有了更深刻的认识，也让我更有信心去动手解决一些简单的硬件问题，大大提升了我对计算机硬件的理解和应用能力。

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这本书《计算机硬件基础实验》给我带来的，是一种从“使用”到“理解”的飞跃。我一直以来都是一个电脑的使用者，对电脑的性能和配置有一些基本的了解，但在硬件层面，我总感觉隔着一层纱。《计算机硬件基础实验》这本书，就帮助我轻轻揭开了这层纱。它不像一些纯粹的理论书籍，上来就堆砌大量的公式和抽象概念，而是从最基础的、最容易引起兴趣的硬件拆装入手。作者非常注重实验的可行性和安全性，详细列出了每一个实验所需的工具、材料和步骤，并且特别强调了操作过程中的注意事项，比如防静电、正确安装方向等等，这些细节的提示让我感到非常安心，也避免了我因为操作不当而损坏硬件的风险。书中对于各个硬件组件的讲解，也并非停留在表面，而是深入到它们的内部结构和工作原理。我通过阅读，才真正理解了CPU如何执行指令，内存如何存储数据，显卡如何渲染图像，以及主板如何将它们连接起来协同工作。更让我觉得有价值的是，书中还包含了一些基础的性能测试方法，以及如何根据测试结果来判断硬件的优劣和潜在问题，这对于我日后选购和维护电脑非常有指导意义。总而言之，这本书让我对计算机硬件的理解，从“知其然”上升到了“知其所以然”的境界。

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这本《计算机硬件基础实验》对我来说，简直是打开了新世界的大门。我一直对电脑内部是如何运作的好奇心爆棚，每次拆装电脑或者遇到硬件问题时，都感觉像在面对一个神秘的黑匣子。这本书就好像一位循循善诱的老师，一点点地揭开了这个黑匣子的面纱。它的语言非常通俗易懂，即使是像我这样初次接触硬件实验的读者，也不会感到生涩难懂。从最基本的CPU、内存、主板的结构和功能介绍，到如何安全地拆卸和安装这些核心部件，每一个步骤都描述得详详细细，配上清晰的图示，让我仿佛置身于实验室，亲手操作一般。书中不仅介绍了各种硬件的原理，更重要的是，它教会了我如何去“动手”。比如，在讲解内存条的安装时，书中详细阐述了金手指的朝向、卡扣的锁定方式，以及在操作过程中需要注意的防静电措施，这些细节对于避免硬件损坏至关重要。而且，它还提供了一些常见的故障排除方法，比如如何通过内存诊断工具来检测内存条是否存在问题，这些实用的技巧在日常使用中显得尤为宝贵。阅读这本书的过程，我感觉自己不再是那个对电脑硬件一无所知的“小白”，而是变成了一个有能力去探索、去理解、去解决硬件问题的“实践者”。它点燃了我对计算机硬件探索的热情，让我对未来的学习和工作充满了期待。

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我之前对计算机硬件的认识，大概就是“能开机就行”，对于里面的各种零件，只知道它们的名字，却不知道它们是做什么的，更别提如何去“实验”了。《计算机硬件基础实验》这本书，就像一位耐心又细致的向导，把我从一片迷茫带到了清晰的知识海洋。刚开始看的时候，我被那些密密麻麻的专业术语有点吓到，但好在作者的处理方式很高明，他先是用非常生活化的例子来解释一些基本概念，比如把CPU比作大脑，内存比作临时记事本，硬盘比作永久档案库，这样一来，我就能很快抓住核心要义。然后，书中的实验环节设计得非常巧妙，不是那种枯燥的理论灌输，而是通过一个个具体的操作，让我亲身体验硬件的运转。例如，书中指导如何用不同的内存条组合来观察它们在速度和容量上的差异，以及如何通过调整BIOS设置来优化启动速度，这些实践性的操作让我对理论知识有了更直观的感受。最让我惊喜的是，这本书还涉及了一些基础的电路知识，虽然不深，但足以让我理解硬件之间信号传递的基本逻辑。我感觉自己不再是那个只能被动接受技术信息的用户，而是开始拥有了主动探索和理解计算机硬件的能力，这是一种非常棒的成就感。

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作为一名在IT行业摸爬滚打多年的老兵，我曾经认为自己对计算机硬件已经了如指掌，对各种配置和组装流程也早已烂熟于心。然而，《计算机硬件基础实验》这本书，却以一种意想不到的深度和广度，刷新了我对硬件的认知。它并没有停留在表面的安装和拆卸，而是深入到了每一个核心组件的工作原理和信号传输机制。例如，在关于CPU的部分，书中详细剖析了指令集的执行流程，缓存的层级结构对性能的影响，甚至还涉及了超频背后的物理原理和注意事项。对于主板，它不仅介绍了各种接口的规格和作用，还通过图示清晰地展示了BIOS/UEFI的工作流程，以及电源管理和信号路由的复杂性。我尤其欣赏书中对“为什么”的解答，它不是简单地告诉你“怎么做”，而是告诉你“为什么这么做”，以及这样做会带来什么样的后果。这一点对于提升技术理解的层次至关重要。书中还提供了一些高级的实验，比如通过示波器观察信号波形，或者使用逻辑分析仪来调试总线通信，这些内容对我来说是极具挑战性和启发性的。它让我重新审视了许多我习以为常的硬件操作，发现了其中隐藏的精妙设计和工程智慧。这本书不仅仅是一本实验指南，更像是一份对计算机硬件技术深层探索的邀请函，让我受益匪浅。

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