Pfleeger Teachers Manual to Acc Machin Org - Anint to the Stru & Pro of Comp Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:CP PFLEEGER

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1984-12-12

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780471816133

丛书系列:

图书标签:

• 计算机系统结构
• 计算机组成原理
• Pfleeger
• 教学手册
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• 高等教育

深入计算机科学的基石：系统结构与组织权威指南 本手册旨在为计算机科学与工程领域的高级学习者和专业人士提供一个全面、深入的参考框架，聚焦于现代计算系统背后的核心原理、架构设计及其组织逻辑。本书避开对特定商业化软件或最新硬件迭代的追逐，而是专注于计算机科学最持久、最基础的概念，确保读者对信息如何在机器层面被处理和管理形成坚实的理论基础。 本书结构严谨，内容涵盖从底层逻辑门到高级操作系统概念的完整跨度，其核心目标是培养读者“像计算机一样思考”的能力，从而能够有效地设计、分析和优化复杂的计算解决方案。 --- 第一部分：数字世界的基石——逻辑与表示 本部分奠定了理解所有数字系统的基础。我们从信息的最基本单位——比特（Bit）开始，深入探讨布尔代数在硬件设计中的核心作用。 1. 数据的二进制世界： 详细阐述了数字表示系统，包括无符号数、定点数和浮点数（遵循IEEE 754标准）的精确编码与运算。特别关注了在有限精度下进行数学运算时可能出现的溢出、舍入误差及其对算法设计的影响。 2. 组合逻辑与时序逻辑： 系统地介绍了逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）的物理实现及其在构建更复杂电路中的组合方式。深入分析了加法器、多路复用器、译码器等基本组合电路的设计。随后，转向时序逻辑，重点讲解了锁存器（Latches）和触发器（Flip-Flops）的工作原理，如何利用时钟信号同步数据流，并在此基础上构建寄存器、移位寄存器和计数器等核心存储单元。 3. 硬件描述语言（HDL）的哲学： 虽然本书不侧重于特定工具的使用，但会探讨使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog的概念模型）来抽象和描述硬件行为的思维方式。这包括对并发性（Concurrency）和实例化（Instantiation）的理解，这是现代数字系统设计的关键抽象层次。 --- 第二部分：指令集架构（ISA）：软硬件的契约 指令集架构是连接软件与硬件的桥梁，理解ISA是掌握系统性能和可移植性的关键。 1. ISA的设计原则： 探讨了精简指令集计算机（RISC）与复杂指令集计算机（CISC）的设计哲学对比。重点分析了指令格式（固定长度与可变长度）、寻址模式（直接、间接、变址等）的设计选择及其对解码器复杂性和执行效率的影响。 2. 数据通路与控制： 详细剖析了单周期和多周期处理器的基本数据通路结构。我们深入研究了程序计数器（PC）、指令寄存器、算术逻辑单元（ALU）和通用寄存器堆之间的信息流动。控制单元的设计被视为一个有限状态机（FSM），解释了如何根据指令操作码生成时序信号来控制数据通路中的各个组件。 3. 汇编语言的视角： 通过分析典型的ISA（例如MIPS或RISC-V的抽象模型），读者将学习如何将高级语言结构（如循环、条件分支和函数调用）映射到实际的汇编指令序列。着重讲解了堆栈帧（Stack Frame）的建立与销毁，以及参数传递机制。 --- 第三部分：处理器流水线与性能优化 现代处理器之所以能达到GHz级别的速度，核心在于流水线技术。本部分将深入解剖这一关键优化手段。 1. 流水线的基础概念： 引入流水线的概念，将指令执行分解为取指、译码、执行、访存和写回等阶段。分析理想情况下的加速比和吞吐量提升。 2. 流水线冲突与解决策略： 这是性能优化的核心挑战。详细分析了三种主要的冲突类型：结构冲突、数据冲突和控制冲突。针对这些冲突，系统地介绍了解决方案： 数据前递（Forwarding/Bypassing）： 实时将计算结果直接反馈到需要的执行单元，避免不必要的等待。 分支预测（Branch Prediction）： 探讨静态与动态预测技术，如一位和两位预测器的原理，以及如何处理预测错误时的“冲刷”（Flushing）操作。 延迟槽（Delay Slots）： 在某些架构中，如何通过编译器和ISA协同设计来缓解分支惩罚。 3. 超标量与乱序执行（O-o-O）： 进阶探讨现代高性能处理器如何超越简单的线性流水线。引入指令级并行性（ILP）的概念，解释了指令缓冲器、重排序缓冲器（Reorder Buffer, ROB）和保留站（Reservation Stations）在实现乱序执行和保持程序正确的输出顺序方面的作用。 --- 第四部分：存储器系统——层次结构与延迟管理 内存速度与处理器速度之间的巨大鸿沟是计算系统设计的永恒难题。本部分聚焦于如何通过层次化结构来缓解这一瓶颈。 1. 存储器技术概览： 比较了不同类型的存储介质（SRAM, DRAM, Flash）的特性、成本和应用场景。深入分析DRAM的刷新和访问周期，以及SRAM在片上缓存中的应用基础。 2. 缓存的原理与组织： 缓存是系统性能的命脉。详细解析了缓存的三个关键维度： 映射策略： 直接映射、全相联映射和组相联映射的优缺点和实现细节。 块替换策略： 最近最少使用（LRU）、随机替换等算法的硬件实现复杂性。 写操作策略： 写直达（Write-Through）与写回（Write-Back）的性能与一致性权衡。 3. 虚拟内存与地址翻译： 阐述了虚拟地址到物理地址的映射机制。核心内容包括页表（Page Table）的结构、多级页表的优势，以及如何利用转换后备缓冲器（TLB）加速地址翻译过程。深入讨论了缺页（Page Fault）的处理流程及其对系统性能的影响。 --- 第五部分：I/O系统与中断机制 输入/输出（I/O）操作通常是系统中速度最慢的部分，其高效管理对于系统整体响应至关重要。 1. I/O设备交互模型： 比较了程序控制I/O、中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）三种主要的设备数据传输方式。重点分析DMA控制器的工作流程，如何解放CPU进行并行计算。 2. 中断与异常处理： 详细解释了中断和异常的根本区别。系统地梳理了中断处理的硬件流程：保存现场、跳转到中断向量表、执行服务程序，以及返回的完整序列。分析了中断延迟的来源和最小化方法。 3. 总线结构与仲裁： 探讨了系统总线（地址、数据、控制）的设计。分析了总线竞争问题，以及仲裁机制（如集中式仲裁和分布式仲裁）如何确保多个设备能够有序地访问共享资源。 --- 结论：从组件到系统 本书的最终目标是使读者能够将这些独立的模块知识融会贯通，理解一个现代计算机系统是如何作为一个高度优化的整体运作的。通过对硬件抽象层和底层实现的深刻理解，读者将具备分析系统瓶颈、评估架构选择、并对下一代计算范式进行批判性思考的能力。本书为追求精通计算科学核心理论的专业人士提供了不可或缺的智力工具。

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