計算機組成原理實驗指導書與習題集 pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:清華大學齣版社

作者:王誠

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1996-03-01

價格:15.8

裝幀:精裝

isbn號碼:9787302020530

叢書系列:

圖書標籤:

• 計算機組成原理
• 實驗指導
• 習題集
• 高等教育
• 教材
• 計算機科學與技術
• 數字邏輯
• 匯編語言
• 計算機體係結構
• 教學參考

現代係統架構與底層編程實踐 內容概述： 本書旨在為讀者提供一個深入理解現代計算機係統從硬件底層到操作係統抽象層核心概念的全麵指南。我們聚焦於構建和分析復雜軟件係統的基礎知識，強調理論理解與動手實踐的結閤，特彆是針對係統級編程、性能優化以及新興計算範式的探索。全書結構嚴謹，內容翔實，力求使讀者能夠掌握駕馭現代計算資源的關鍵技能。 第一部分：計算基礎與馮·諾依曼結構的現代詮釋 本部分首先迴顧瞭數字邏輯與布爾代數的基本原理，但我們將視角迅速轉嚮這些基礎如何映射到現代處理器設計中。我們不再停留在教科書式的圖靈機模型，而是深入探討流水綫、超標量執行和亂序執行等現代CPU架構的核心技術。 指令集架構（ISA）的演進與選擇： 我們詳細比較瞭復雜指令集計算機（CISC，如x86-64）與精簡指令集計算機（RISC，如ARM、RISC-V）的設計哲學及其對軟件優化的影響。重點分析瞭宏觀操作如何被分解為微操作（Micro-ops），以及分支預測單元（Branch Predictor）在性能提升中的關鍵作用。 數據通路與控製單元的實現： 深入剖析瞭五級、七級甚至更深流水綫的結構，著重討論瞭數據冒險、控製冒險的檢測與解決機製，如轉發（Forwarding）和暫停（Stall）。 內存層次結構的深度剖析： 內存係統是現代性能的瓶頸所在。我們詳盡闡述瞭緩存（Cache）的工作原理，包括直接映射、組相聯和全相聯，以及寫策略（Write-Through vs. Write-Back）和替換算法（LRU, FIFO, Pseudo-LRU）的實際效果。更進一步，探討瞭多級緩存（L1, L2, L3）的一緻性維護問題。 第二部分：係統軟件的基石——匯編語言與操作係統接口 理解係統如何將高級語言編譯成機器可執行代碼，是深入優化的前提。本部分著重於從“源代碼”到“運行中程序”的轉化過程。 高級語言到匯編的翻譯過程： 我們使用當前的流行架構（如x86-64）作為範例，詳細講解函數調用約定（Calling Convention），包括參數傳遞、棧幀的建立與銷毀，以及寄存器使用規則。這為理解調試器和性能分析工具的工作機製打下瞭堅實基礎。 鏈接與加載機製： 區彆靜態鏈接與動態鏈接的優缺點。重點分析瞭目標文件格式（如ELF或PE）的結構，包括代碼段、數據段、符號錶和重定位錶。探討瞭加載器（Loader）如何解析共享庫並進行地址重定位的過程。 虛擬內存與進程管理： 操作係統如何通過分頁（Paging）機製為每個進程提供獨立的地址空間。深入講解頁錶（Page Table）的結構（如四級頁錶），以及轉換後援緩衝器（TLB）如何加速地址翻譯。進程的創建、上下文切換（Context Switching）的開銷分析，以及進程間通信（IPC）的高效實現方法。 第三部分：並發、並行與同步機製的精確控製 現代應用嚴重依賴多核和多處理器環境。本部分聚焦於如何安全、高效地管理並發訪問共享資源。 硬件級同步原語： 探討瞭處理器提供的原子操作指令，如Compare-and-Swap (CAS)和Fetch-and-Add。解釋瞭這些原語如何作為構建更高級同步機製（如鎖）的基礎。 操作係統提供的同步工具： 詳細分析瞭互斥鎖（Mutex）、信號量（Semaphore）的內部實現及其潛在的死鎖（Deadlock）和活鎖（Livelock）問題。重點討論瞭讀寫鎖（Read-Write Locks）在讀多寫少的場景中的性能優勢。 無鎖數據結構設計（Lock-Free & Wait-Free）： 介紹如何利用CAS等原子操作設計高性能的無鎖隊列、棧和哈希錶。分析ABA問題及其現代解決方案，為構建高度可擴展的服務提供理論指導。 內存一緻性模型： 區分順序一緻性（Sequential Consistency）與弱一緻性模型（Weak Consistency Models，如x86 TSO, ARM RMO）。講解如何使用內存屏障（Memory Barriers/Fences）來強製指令的順序性，這是編寫正確並發代碼的精髓所在。 第四部分：I/O 係統與網絡通信棧的優化 係統性能往往受限於數據如何在處理器、內存與外部設備之間流動。 中斷與異常處理： 詳細描述中斷描述符錶（IDT）和中斷嚮量，以及硬件中斷如何被操作係統內核捕獲和分派的流程。 高效的I/O模型： 比較傳統的阻塞式I/O、非阻塞I/O與I/O多路復用技術（如select, poll, epoll/kqueue）的性能差異。深入講解異步I/O（AIO）的工作機製及其在高性能網絡服務器中的應用。 DMA（直接內存訪問）的原理： 闡述DMA控製器如何使外設繞過CPU直接讀寫內存，以及它對係統吞吐量的貢獻。 TCP/IP協議棧的內核實現： 剖析內核中網絡數據包的處理路徑，從硬件接收到應用層讀取的全過程。重點討論零拷貝（Zero-Copy）技術（如sendfile）如何最大程度減少數據復製，提升網絡傳輸效率。 第五部分：性能分析、調試與係統級故障排查 理論學習必須與實際操作相結閤。本部分提供瞭一套係統化的性能分析和故障診斷工具箱。 性能分析工具的使用與解讀： 掌握使用`perf`（Linux）、DTrace或類似工具對係統進行采樣和跟蹤。重點學習如何分析CPU性能計數器（Hardware Performance Counters），識彆緩存未命中率、分支預測失誤率等關鍵指標。 係統跟蹤與動態插樁： 學習使用`strace`（係統調用跟蹤）和`ltrace`（庫函數跟蹤）來理解程序與操作係統邊界的交互。 調試復雜並發錯誤： 探討使用綫程隔離工具和內存調試器（如Valgrind）來定位難以復現的競態條件和內存泄漏問題。 係統調用性能剖析： 分析不同係統調用的相對開銷，指導開發者何時應在用戶態實現更快的邏輯，而非依賴內核服務。 本書的最終目標是培養讀者從硬件設計意圖齣發，自底嚮上地理解和優化復雜計算係統的能力，使其能夠設計齣既健壯又具備極緻性能的底層軟件和係統服務。

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