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出版者:John Wiley & Sons Ltd

作者:Irv Englander

出品人:

页数:712

译者:

出版时间:2009-09-25

价格:412.00元

装帧:Paperback

isbn号码:9780470400289

丛书系列:

图书标签:

计算机
CS
Architecture
计算机体系结构
硬件设计
系统软件
计算机组成原理
数字逻辑
操作系统
汇编语言
嵌入式系统
性能分析
底层技术

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具体描述

Reflects the latest technology in the field to provide readers with the most up–to–date resource Presents examples that cover a broad spectrum of hardware and software systems, from personal computers to mainframes Places more emphasis on networking to address increased importance of the communications area Consolidates the coverage of buses into one chapter. Integrates numerous review questions at the end of each chapter to enhance the reader′s understanding of the material

《代码的肌理：从晶体管到操作系统的演进之旅》导读本书并非一本技术手册，也不是某个特定技术的深度剖析。它更像是一幅徐徐展开的宏大画卷，描绘着数字世界赖以生存的基石——计算机硬件与系统软件——如何从最初的简单构想到如今的复杂精妙，是如何一步步演进、融合，最终构建起我们今天所熟知的计算生态。我们将一起探索的，是那些隐藏在屏幕闪烁、程序运行之下的宏大叙事，是那些驱动着信息时代滚滚向前的深层逻辑。第一章：思想的萌芽——计算的早期探索在二进制的微光尚未照亮世界之前，人类对于“计算”的渴望早已存在。从古老的算盘到机械式计算器，每一次的革新都代表着人类试图摆脱繁琐人力计算的努力。这一章将带我们回顾那些伟大的先驱者，他们的奇思妙想与不懈尝试，为后来的电子计算机奠定了思想基础。我们将聚焦于早期机械计算的原理，理解阿塔纳索夫-伯恩斯计算机（ABC）等里程碑式的项目，以及冯·诺依曼架构的提出，它是如何奠定现代计算机基本构架的。我们将探讨“程序存储”这一革命性概念的出现，以及它如何为计算机的通用性开启了大门。这一阶段的硬件，虽然简陋，却蕴含着改变世界的无限可能。第二章：数字的脉搏——晶体管与集成电路的革命真空管时代短暂而辉煌，但其巨大的体积、高昂的能耗以及不稳定性，限制了计算机的普及。晶体管的发明，如同黎明的第一缕阳光，彻底改变了这一切。本章将深入浅出地介绍半导体技术的奇迹，从PN结到三极管，再到集成电路（IC）的出现。我们将理解晶体管如何取代笨重的真空管，成为构成电子电路的基本单元，以及它所带来的小型化、低功耗、高可靠性的革命性变化。随后，我们将聚焦于集成电路的诞生，理解如何将海量的晶体管“雕刻”在一枚小小的芯片上，这便是摩尔定律最初的萌芽，为后续的计算能力指数级增长铺平了道路。我们会提及早期集成电路的制造工艺，以及它们如何从简单的逻辑门发展到包含数万甚至数十万晶体管的复杂芯片。第三章：硬件的骨骼——中央处理器（CPU）的演进中央处理器（CPU）是计算机的“大脑”，它的每一次进步都直接关系到计算机的整体性能。本章将深入探究CPU的设计原理，从简单的算术逻辑单元（ALU）到复杂的控制单元。我们将理解指令集架构（ISA）的重要性，它是CPU与软件之间的桥梁，决定了CPU能够执行哪些操作。我们将追溯CPU从4位、8位到16位、32位，再到如今的64位处理器演进的历程，理解指令集扩展、流水线技术、缓存机制以及多核处理等关键技术的出现，如何不断提升CPU的处理速度和效率。我们会探讨RISC与CISC指令集架构的优劣之争，以及它们如何影响着CPU的设计哲学。本章将让读者理解CPU内部的复杂世界，以及那些在毫秒间发生的惊人计算。第四章：数据的容器——内存与存储系统的发展数据是计算的燃料，而内存和存储系统则是数据的“容器”。本章将系统地介绍计算机中不同类型的内存和存储技术。我们将从最早的磁鼓、磁芯内存讲起，到如今广泛应用的动态随机存取内存（DRAM）和静态随机存取内存（SRAM），理解它们在读写速度、存储容量和成本上的差异。我们还会深入探讨非易失性存储技术，包括硬盘驱动器（HDD）、固态驱动器（SSD），以及新兴的闪存技术，理解它们在数据持久化方面的作用。本章还会触及内存管理单元（MMU）的作用，以及它如何帮助CPU有效地访问和管理内存空间。我们会解析不同存储介质的物理原理，以及它们在技术迭代中的演进和优势。第五章：沟通的桥梁——输入/输出（I/O）与总线架构计算机并非孤立的个体，它需要与外界进行信息交换，也需要内部各个组件之间协同工作。本章将聚焦于输入/输出（I/O）系统和总线架构。我们将理解各种输入设备（键盘、鼠标）和输出设备（显示器、打印机）的工作原理，以及它们如何将人类的指令和信息传递给计算机，或将计算结果呈现给用户。我们将深入探讨总线的作用，它是连接CPU、内存以及各种I/O设备的“高速公路”。我们会了解不同的总线类型，如ISA、PCI、PCIe等，以及它们如何决定数据传输的带宽和速度。DMA（直接内存访问）等技术也将在此被详细解读，它们如何绕过CPU直接进行数据传输，从而提升系统效率。第六章：数字的语言——指令集与汇编语言在硬件层面，计算机只能理解由0和1组成的二进制指令。本章将揭示隐藏在硬件之下的“数字语言”——指令集。我们将理解指令集架构（ISA）如何定义CPU能够执行的基本操作，以及汇编语言作为一种更贴近机器码的编程语言，如何将人类可读的助记符转化为机器可以执行的指令。我们将通过简单的示例，展示汇编语言是如何工作的，理解寻址模式、寄存器操作以及跳转指令等基本概念。这一章的重点在于理解机器层面的运算逻辑，以及汇编语言在理解底层系统运作中的关键作用。第七章：程序的灵魂——操作系统的诞生与核心功能如果说硬件是计算机的身体，那么操作系统（OS）就是它的灵魂。本章将追溯操作系统的起源，理解从批处理系统到多道程序设计，再到分时系统和现代多任务操作系统的演进历程。我们将深入探讨操作系统的核心功能：进程管理（如何创建、调度和终止程序）、内存管理（如何分配和回收内存空间）、文件系统管理（如何组织和访问存储在磁盘上的数据）以及设备管理（如何协调和控制各种硬件设备）。我们会理解并发与并行、虚拟内存、文件权限等重要概念，以及它们如何为用户提供一个安全、高效、易用的计算环境。第八章：进程的生命——线程、调度与同步在现代操作系统中，程序通常以进程的形式运行，而进程内部又可以包含多个线程，实现更精细的任务划分和并行处理。本章将聚焦于线程的概念，理解线程与进程的区别，以及它们在资源共享和通信上的优势。我们将深入探讨操作系统的进程调度算法，如先来先到（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度和时间片轮转等，理解它们如何决定CPU的分配优先级。同时，本章还将详细阐述线程同步机制，如互斥锁、信号量和管程，以及它们如何解决多线程环境下共享资源访问时可能出现的竞态条件和死锁问题。第九章：内存的艺术——虚拟内存与内存管理内存资源是有限的，但操作系统却能让程序访问比物理内存更大的地址空间，这便是虚拟内存的功劳。本章将详细介绍虚拟内存的工作原理，包括地址映射、页表、页面置换算法（如LRU、FIFO）等。我们将理解虚拟内存如何通过将部分不常用的内存数据暂时存储到硬盘（交换空间）来实现对物理内存的有效利用，从而允许运行更多的程序。此外，本章还将深入探讨内存分配和回收的机制，以及内存碎片问题，并介绍操作系统如何管理这些复杂的内存操作，以确保程序的正常运行和系统的稳定性。第十章：数据的守护者——文件系统与磁盘管理文件系统是操作系统组织和管理磁盘上数据的方式，它决定了我们如何存储、查找和访问信息。本章将介绍不同类型的文件系统，如FAT、NTFS、Ext4等，理解它们在文件结构、目录管理、权限控制以及数据恢复等方面的特点。我们将深入了解文件系统的内部结构，包括引导扇区、文件分配表/节点、目录项等。此外，本章还会探讨磁盘分区的概念，以及文件系统的完整性检查和磁盘碎片整理等日常维护操作。我们将理解文件系统的设计如何平衡性能、可靠性和易用性。第十一章：硬件的协调者——设备驱动程序与中断操作系统需要与各种各样的硬件设备进行交互，而设备驱动程序（Device Driver）正是连接操作系统与特定硬件的“翻译官”。本章将详细介绍设备驱动程序的角色和工作方式，理解它们如何将操作系统发出的通用指令转化为特定硬件能够理解的命令。我们将探讨中断的概念，它是硬件设备通知CPU有事件发生的一种机制。理解中断处理流程，包括中断请求、中断向量表以及中断服务程序，对于理解硬件与软件如何高效协同至关重要。本章将揭示操作系统如何管理和调度海量硬件设备，让它们有序地为我们服务。第十二章：网络的脉络——网络协议栈的基石现代计算离不开网络，本章将初步涉足网络通信的底层原理，介绍网络协议栈的基本概念。我们将简要介绍OSI模型和TCP/IP模型，理解它们如何将复杂的网络通信划分为不同的层次，每一层负责特定的功能。我们将重点关注TCP/IP协议栈中的核心协议，如IP（Internet Protocol）用于数据包的寻址和路由，以及TCP（Transmission Control Protocol）提供可靠的、面向连接的数据传输服务，还有UDP（User Datagram Protocol）提供无连接的、更高效的数据传输。本章将为理解更高级的网络应用打下基础。第十三章：软件的构建——链接与加载当编写完程序后，我们看到的并不是可以直接执行的代码，而是需要经过编译、汇编、链接等一系列过程才能生成最终的可执行文件。本章将聚焦于链接（Linking）和加载（Loading）的过程。我们将理解静态链接和动态链接的区别，以及它们如何将多个目标文件组合成一个可执行程序。我们将探究可执行文件的格式，以及操作系统加载器（Loader）如何将可执行文件从磁盘加载到内存，并为程序运行做好准备。这一章将帮助我们理解程序是如何从源代码转化为能够在计算机上运行的实际程序的。第十四章：安全与可靠——系统软件的挑战在追求高性能和易用性的同时，系统的安全性和可靠性也至关重要。本章将探讨系统软件在保障安全与可靠方面所面临的挑战。我们将讨论病毒、恶意软件的威胁，以及操作系统提供的安全机制，如用户权限管理、访问控制列表（ACL）等。我们还将触及系统的崩溃、数据丢失等问题，以及操作系统如何通过日志记录、错误恢复机制来提升系统的鲁棒性。本章将引发我们对计算系统底层安全和稳定性的思考。结语《代码的肌理》并非终点，而是对数字世界宏大叙事的一瞥。从微观的晶体管到宏观的操作系统，每一个层面的演进都充满了智慧与汗水。本书旨在为读者提供一个理解计算机系统全貌的视角，它不是对特定技术的讲解，而是对“为什么”和“如何”的探索。希望通过这次旅程，您能对驱动我们数字生活的强大力量有更深刻的认识，并能以更广阔的视野去理解和应用这些技术。