计算机组织与结构性能设计(第四版)

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出版者:清华大学
作者:
出品人:
页数:682
译者:
出版时间:1998-7
价格:43.00元
装帧:
isbn号码:9787302024156
丛书系列:
图书标签:
  • 操作系统
  • 计算机组织
  • 计算机体系结构
  • 性能设计
  • 处理器
  • 存储系统
  • 流水线
  • 并行计算
  • 缓存
  • 指令集
  • 数字逻辑
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具体描述

计算机系统设计:从硬件到软件的深度融合 本书简介 本书深入探讨了现代计算机系统的核心原理与设计实践,旨在为读者构建一个全面、深入的系统级视角。我们聚焦于如何有效地将硬件的物理特性与软件的逻辑需求进行有机结合,以实现卓越的性能、可靠性与可扩展性。全书内容横跨底层硬件架构、操作系统内核机制、编译器优化策略以及现代并行计算模型,力求揭示不同抽象层次之间错综复杂的相互依赖关系。 第一部分:基础架构与性能瓶颈分析 本部分奠定理解现代计算机系统的基础。我们从指令集架构(ISA)的演进入手,对比分析复杂指令集计算机(CISC)与精简指令集计算机(RISC)的设计哲学及其对软件实现的影响。重点章节将详细剖述流水线技术,包括指令级并行(ILP)的提取方法,如数据前推(Forwarding)、分支预测(Branch Prediction)的准确性对CPI(Cycles Per Instruction)的决定性作用。 随后,我们转向内存系统——计算机性能的“阿喀琉斯之踵”。本书对存储器层次结构进行了详尽的阐述,从高速缓存(Cache)的工作原理——包括写分配策略、写回/直写策略的选择,到多级缓存(L1, L2, L3)的容量、延迟与带宽之间的权衡。我们不仅分析了缓存命中率的计算,更深入探讨了程序局部性(时间与空间)在实际代码优化中的应用。此外,虚拟内存管理机制,页表结构、TLB(Translation Lookaside Buffer)的设计与性能影响,以及I/O子系统的延迟与吞吐量瓶颈,都将得到细致的剖析。 第二部分:并行计算与多核架构 随着摩尔定律的演进,单核性能提升的边际效益递减,多核与异构计算成为主流。本部分聚焦于如何设计和利用并行硬件资源。 我们首先考察多处理器系统的一致性模型(Coherence Models)。缓存一致性协议,如MESI、MOESI协议的工作机制,以及它们在多核系统中如何确保数据视图的一致性,是本部分的核心内容。我们将探讨内存屏障(Memory Barriers/Fences)在不同架构下(如x86与ARM)的语义差异及其对并发编程的影响。 紧接着,本书将深入探讨现代CPU中的线程级并行(TLP)与指令级并行(ILP)的结合。超线程(SMT)技术如何通过共享资源来提高利用率的原理,以及其在不同负载下的性能表现差异。 第三部分:操作系统与资源管理 操作系统是连接硬件与应用程序的桥梁。本部分将从系统调用的开销、上下文切换的延迟入手,解析操作系统如何高效地管理CPU时间、内存空间和设备资源。 进程调度算法的选择(如优先级、轮转、实时调度)对系统响应时间和吞吐量的影响将被量化分析。内存管理方面,我们将探讨操作系统如何实现和维护虚拟地址空间,包括内存保护机制、内存映射(mmap)的实现细节。 在并发控制方面,本书超越了基本的互斥锁概念,详细讨论了现代操作系统提供的更精细的同步原语,如原子操作、读写锁、信号量以及条件变量的实现细节与潜在的死锁、活锁问题。我们还将分析无锁数据结构(Lock-Free Data Structures)的设计思想,及其在高性能服务器中的应用。 第四部分:编译器与程序优化 硬件性能的发挥,在很大程度上依赖于编译器能否将其充分利用。本部分侧重于编译器优化技术如何映射到目标机器的微架构特性。 我们将分析数据流分析、控制流分析在编译器后端的重要性。重点章节包括循环优化(Loop Optimizations),如循环展开(Loop Unrolling)、循环合并(Loop Fusion)以及指令调度(Instruction Scheduling),这些技术如何通过暴露更多ILP来填满流水线。 函数调用约定(Calling Conventions)对栈帧布局、寄存器使用以及过程间调用的开销分析,也是本部分的重要内容。此外,我们还会讨论函数内联(Inlining)决策对代码大小与执行速度的权衡,以及向量化(Vectorization,如SIMD指令集)在科学计算与多媒体处理中的应用和自动向量化的挑战。 第五部分:输入/输出与系统可靠性 现代系统的性能越来越受限于数据传输速度。本部分探讨了高性能I/O的设计。我们将分析直接内存访问(DMA)机制如何卸载CPU,实现数据高效传输。针对存储系统的延迟,本书将对比分析传统磁盘(HDD)与固态硬盘(SSD)的物理特性,以及它们对文件系统设计的影响。 在系统可靠性方面,我们将介绍错误检测与纠正(ECC)的原理,以及冗余技术(如RAID)在保障数据完整性与可用性中的作用。 总结 本书结构严谨,理论与实践并重,通过对计算机系统各层次组件的深入剖析,旨在培养读者从底层硬件逻辑出发,进行系统级性能调优与架构设计的能力。读者在学完本书后,将能更深刻地理解“为什么程序会以这种速度运行”,并掌握解决复杂性能问题的关键技术。

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这本书的内容组织结构非常合理,逻辑链条清晰得如同精心编排的乐章。它不是简单地堆砌知识点,而是层层递进,从宏观的系统架构到微观的硬件实现,都有着非常平滑的过渡。我特别喜欢它在讨论现代处理器设计时所采用的模块化讲解方式。作者似乎很清楚读者在学习过程中的痛点,总能在关键节点提供清晰的路线图,指导我们如何将各个独立的部分串联起来,形成一个完整的认知体系。比如,在探讨缓存一致性协议时,作者先用了一个非常形象的比喻来解释其复杂性,然后再逐步深入到协议细节,这种由浅入深的处理方法,极大地降低了初学者的入门门槛。更难得的是,书中对不同设计取舍背后的权衡分析非常到位,让我们不仅仅停留在“是什么”的层面,更能理解“为什么”要这样设计,这才是真正培养工程师思维的关键。章节末尾的总结和思考题设计得也十分巧妙,不是简单的重复,而是引导读者进行更高层次的批判性思考。

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这本书的封面设计很有现代感,色彩搭配得很有层次,让人在书架上很容易注意到它。刚拿到手的时候,就被它厚实的分量和精美的装帧吸引了。迫不及待地翻开扉页,发现排版非常清晰,字体大小适中,阅读起来非常舒适。作者的引言部分写得非常真诚,看得出他对这个领域的深刻理解和对读者的尊重。特别是他对“性能”这个核心概念的阐述,一下子就抓住了读者的注意力,让人对后续的内容充满了期待。我尤其欣赏的是,这本书在保持学术严谨性的同时,并没有将内容写得枯燥乏味。它巧妙地融入了一些生动的例子和历史背景,让复杂的概念变得更容易理解和消化。比如,在讲解指令集架构演变的那一章,作者不仅罗列了各种架构的特点,还穿插了当时技术背景和设计哲学,这种叙事方式极大地提升了阅读的趣味性。整本书的装帧质量也很高,纸张的质感很好,即便长时间翻阅也不会觉得累,这对于需要反复查阅的专业书籍来说,是一个非常重要的加分项。

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这本书的配套资源和学习辅助工具也做得非常出色。虽然我主要依赖纸质版进行阅读和笔记,但我偶尔也会浏览一下作者官网上提供的相关资源。那里的模拟代码片段和实验指导,对于巩固对复杂概念的理解起到了不可替代的作用。特别是那些交互式的仿真工具,能够让读者亲手“运行”那些在书本上看起来抽象的指令流和数据路径,这种动手实践的感觉是任何文字描述都无法比拟的。作者在书的结构中还预留了足够的空间给未来的发展趋势,例如量子计算对传统架构的影响,虽然只是点到为止,但足见作者的远见卓识,让我们在学好“现在”的同时,也能对“未来”保持一份警觉和好奇心。总而言之,这本书不仅仅是一本教材,更像是一位资深专家倾囊相授的“武功秘籍”,它为你打下了坚实的基础,更重要的是,它为你指明了在计算机系统这条漫长而充满挑战的道路上,应该用怎样的思维方式去探索和前行。

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作为一本技术参考书,这本书的深度和广度都达到了一个非常高的水准。我注意到作者在内容更新上做得非常及时,很多前沿的研究成果和最新的行业标准都被融入到了更新的章节中。这使得这本书在面对技术日新月异的今天,依然保持着强大的生命力和参考价值。比如,涉及到并行计算和异构处理器的部分,内容详实且分析深刻,远超我之前阅读过的其他同类教材。作者在阐述新兴技术时,保持了一种非常客观和审慎的态度,既不过分夸大其潜力,也没有回避其面临的挑战,这种严谨的学术态度让人非常信服。书中引用的参考文献和案例研究也经过了精挑细选,大多是领域内的经典之作或最新突破,为希望进一步深挖某个技术点的人提供了宝贵的线索。这本书的翻译质量也值得称赞,术语使用精准到位,行文流畅自然,完全没有传统技术译著那种晦涩生硬的感觉,阅读体验非常顺畅。

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这本书最大的亮点之一,在于它对实际工程问题的关注度极高。它不是一本“纸上谈兵”的理论书,而是充满了对真实世界中设计限制和优化策略的深刻洞察。在讲解流水线技术和分支预测时,作者不仅仅停留在理论模型上,而是结合了业界主流处理器的实际数据和设计图景,让我们仿佛置身于一个真实的芯片设计实验室。他对于功耗和面积的约束条件的讨论非常接地气,这对于任何一个从事底层系统开发的人来说,都是至关重要的知识。我尤其欣赏作者在描述那些经典但略显陈旧的体系结构时,依然能挖掘出其中蕴含的、可以迁移到现代设计中的设计思想,这体现了作者深厚的历史积淀和开阔的视野。书中穿插的那些“设计陷阱”或“常见误区”提示,更是像一位经验丰富的老工程师在耳边谆谆教诲,帮助读者避免在实际工作中走弯路。这本书真正做到了理论指导实践。

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