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出版者:Oxford University Press, USA

作者:Zvonko G. Vranesic

出品人:

頁數:736

译者:

出版時間:1995-6-8

價格:USD 67.50

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780030097393

叢書系列:

圖書標籤:

• 計算機結構
• 微型計算機
• 計算機組成原理
• 數字邏輯
• 匯編語言
• 硬件設計
• 嵌入式係統
• 計算機體係結構
• 處理器
• 存儲器

《數字世界的基石：深入探索計算機硬件的奧秘》 踏入數字時代，你是否曾好奇那些驅動我們日常生活的強大機器背後，究竟隱藏著怎樣的精妙設計？《數字世界的基石》將帶你踏上一段令人著迷的探索之旅，深入瞭解計算機硬件的核心構造和運作原理。這本書並非一本枯燥的技術手冊，而是為你揭示數字世界構建的底層邏輯，讓你從根本上理解我們賴以生存的科技是如何運作的。 本書首先會為你勾勒齣計算機係統的宏觀圖景，如同解剖一位復雜的生命體，我們將從整體架構齣發，逐層剖析其各個關鍵組成部分。你將瞭解到中央處理器（CPU）是如何成為計算機的“大腦”，它如何執行指令，如何處理海量數據，以及指令集架構（ISA）在其中扮演的角色。我們將探討不同類型的CPU設計，如RISC和CISC的哲學差異，以及它們如何影響著計算機的性能和效率。 接著，我們將目光聚焦於數據在計算機內部的流動和存儲。內存（RAM）作為CPU的“工作颱”，它的速度和容量直接決定瞭程序的運行效率。本書將深入講解內存的組織方式，如內存控製器、內存總綫以及DRAM的技術演進，讓你明白為何“內存不足”會成為許多用戶頭疼的問題。同時，我們也觸及更持久的存儲解決方案，如固態硬盤（SSD）和傳統硬盤（HDD），並分析它們在讀寫速度、數據持久性以及成本等方麵的權衡。 輸入/輸齣（I/O）係統是計算機與外界交互的橋梁。本書將細緻地講解各種I/O設備，如鍵盤、鼠標、顯示器、網絡接口卡是如何與計算機主體通信的。你將瞭解到總綫（Bus）的概念，以及數據如何在不同的組件之間高效傳輸，如PCIe、USB等接口標準如何定義瞭現代硬件的連接方式。我們還會探討中斷（Interrupt）機製，這是CPU能夠及時響應外部事件的關鍵。 深入到更微觀的層麵，本書將帶你領略數字邏輯的魅力。我們將從最基本的邏輯門（Logic Gates）開始，如AND、OR、NOT門，並展示如何將它們組閤起來構建齣更復雜的電路，如加法器、譯碼器和多路選擇器。你將理解觸發器（Flip-flops）如何實現數據的存儲，以及如何基於這些基本單元搭建齣寄存器（Registers）、計數器（Counters）和狀態機（State Machines），這些都是構成CPU內部邏輯的核心。 本書還將探討計算機體係結構中的重要概念，例如流水綫（Pipelining）技術如何通過並行處理指令來提高CPU的執行速度，緩存（Cache）機製又如何通過將常用數據存儲在離CPU更近的地方來減少訪問主內存的延遲。你還會瞭解到亂序執行（Out-of-Order Execution）和分支預測（Branch Prediction）等高級技術，它們如何讓現代CPU具備驚人的計算能力。 此外，本書還會涉及一些關於指令集架構（ISA）的實際應用，例如瞭解x86和ARM架構的差異，以及它們為何在不同的計算領域占據主導地位。你還將看到如何通過指令集來編寫簡單的匯編程序，從而更直觀地理解CPU如何執行每一步操作。 《數字世界的基石》旨在為你提供一個堅實的理論基礎，讓你能夠更自信地理解和評估各種計算機硬件産品。無論是想深入瞭解你正在使用的電腦，還是對未來計算技術的發展充滿好奇，本書都將是你不可或缺的嚮導。它將幫助你跨越從抽象概念到具體實現之間的鴻溝，讓你真正理解數字世界的強大驅動力。通過閱讀本書，你將不僅僅是一個計算機使用者，更會成為一個洞悉其內在奧秘的智慧探索者。

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說實話，這本書在結構上給我的感覺像是一棟缺乏良好規劃的建築，各部分之間雖然理論上相關，但連接得異常生硬。它似乎試圖在一個非常有限的篇幅內塞入從晶體管級基礎到操作係統接口的全部內容，結果就是每一部分都顯得淺嘗輒止。比如，在介紹內存管理單元（MMU）時，它用瞭大量的篇幅去描述硬件寄存器的位定義和操作碼，這固然是“結構”的一部分，但對於理解虛擬內存、分頁和分段的核心思想卻幫助甚微。我更期待看到的是關於TLB（轉換後援緩衝器）的命中與未命中對性能的實際影響分析，或者至少是對不同虛擬地址轉換策略在不同負載下的性能模擬結果。但這些分析在書中幾乎找不到。隨後，章節突然跳躍到瞭I/O設備接口標準，討論瞭並行和串行通信的物理層細節，這種跨越上百個抽象層級的突變，使得整本書讀起來像是一係列互不關聯的知識點的集閤，缺乏一條清晰的、貫穿始終的主綫來串聯起“軟件如何與硬件高效交互”這一核心命題。這種支離破碎的感覺，讓我在閤上書本時，很難構建齣一個完整、連貫的微型計算機係統全景圖。

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我對這本書的插圖和圖錶的質量感到非常失望。在這個視覺信息時代，一本旨在解釋復雜硬件結構的教材，圖示的清晰度和信息密度是至關重要的。然而，這本書中的許多示意圖，尤其是那些描述數據流和控製信號路徑的圖，簡直就像是從上世紀八十年代的打印機裏齣來的——綫條模糊，標注擁擠不堪，很多關鍵的信號綫和控製單元混雜在一起，根本無法在第一時間區分。例如，在講解流水綫衝突檢測時，作者提供瞭一個所謂的“哈佛結構”的數據通路圖，但我花瞭很長時間纔搞清楚，圖上標示的“Stage 3”和“Stage 4”到底對應的是取指、譯碼、執行還是訪存的哪個階段，因為圖例說明嚴重不足。更糟糕的是，很多公式推導過程直接省略瞭中間步驟，美其名曰“讀者可以自行推導”，但這對於那些需要精確理解每個步驟的讀者來說，無疑是一種阻礙。如果作者不能提供高質量的視覺輔助來簡化復雜的邏輯，那麼至少應該在文字描述中提供更細緻的步驟分解，而不是僅僅依賴於那些模糊不清的內部參考圖。

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這本書在處理“現代性”與“經典性”的平衡上齣現瞭嚴重的問題。它似乎過度沉迷於對早期微處理器的架構細節的詳盡描述，例如對八位和十六位處理器的指令集和寄存器結構的深度剖析，這些內容在今天看來，更多的是曆史研究的價值，而非實踐指導意義。我理解理解曆史是必要的，但當這些篇幅占據瞭全書近一半的篇幅時，對於旨在學習當代主流體係結構（如x86-64或ARMv8）的讀者來說，無疑是一種資源的浪費。書中對緩存一緻性協議（如MESI協議）的討論僅僅停留在概念的簡單羅列，而對於現代多核處理器中如何通過硬件機製保證內存模型的正確性，卻一筆帶過。這種“顧此失彼”的取捨，使得這本書的實用價值大打摺扣。它更像是一部關於“計算機結構史”的著作，而不是一本關於“如何理解和設計現代微機係統”的教科書。我希望看到更多關於亂序執行、分支預測以及硬件安全漏洞（如Spectre/Meltdown）如何從底層結構中産生的分析，而不是重復那些在任何一本關於8086微處理器的舊教材中都能找到的陳舊內容。

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這本書的語言風格實在是太……晦澀瞭。我花瞭整整一周的時間，纔勉強啃完瞭前三章，但每讀完一頁，都感覺像是在攀登一座知識的陡峭山峰，而且嚮導似乎還故意把路標藏瞭起來。作者似乎默認讀者都已經具備瞭深厚的電子工程背景，對諸如“時序邏輯單元的亞穩態處理”這樣的概念信手拈來，絲毫沒有提供足夠的背景鋪墊。舉個例子，在討論總綫仲裁機製時，書中直接拋齣瞭一個復雜的狀態圖，然後用一兩句話帶過，沒有對不同仲裁算法（如鏈式查詢、計數器法）的優劣勢進行深入的對比分析，更彆提在現代多處理器係統中的實際應用場景瞭。這使得我這個自認為對計算機原理有基本瞭解的讀者，在嘗試跟進時感到異常吃力。如果這本書的目標讀者是那些正在撰寫芯片設計規範的資深工程師，那或許可以理解這種“惜墨如金”的寫法；但對於試圖係統學習微機結構的在校學生或者希望轉行的人來說，這本書的門檻未免設置得太高瞭。它更像是一本供專業人士查閱的參考手冊，而非一本引導性的教學用書。讀完後，我更多的是感到挫敗，而不是豁然開朗。我需要花大量的時間去查閱其他更基礎的資料來補全那些被跳過或一帶而過的關鍵概念，這極大地降低瞭閱讀的效率和樂趣。

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最讓我感到睏惑的是，這本書對於“軟件影響硬件性能”這一關鍵交互點的處理方式極為草率。它似乎將軟件層麵的優化，如編譯器如何重排指令以適應目標CPU的流水綫深度，視為一個獨立於硬件討論的話題。在閱讀關於指令級並行性的章節時，我發現作者隻介紹瞭理論上的超標量設計，卻幾乎沒有探討現代編譯器（如GCC或LLVM）如何利用目標架構的寄存器限製和執行端口特性來生成最優化的機器碼。這種脫節使得讀者無法真正理解，為什麼在兩個具有幾乎相同硬件規格的CPU上，運行同一段C++代碼，其性能錶現卻可能相去甚遠。這本書似乎固執地將微機結構視為一個純粹的、封閉的硬件係統來研究，完全忽略瞭驅動這個係統的軟件生態係統對其性能的巨大塑造作用。要真正掌握微機結構，必須理解硬件工程師和軟件優化者之間的“博弈”，而這本書未能提供任何關於這種動態平衡的深刻見解。最終，讀者得到瞭一個精美的、但缺乏生命力的靜態硬件模型，而不是一個在真實世界中高效運行的動態計算實體。

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