Pfleeger Teachers Manual to Acc Machin Org - Anint to the Stru & Pro of Comp Systems pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:CP PFLEEGER

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1984-12-12

價格:0

裝幀:Paperback

isbn號碼:9780471816133

叢書系列:

圖書標籤:

• 計算機係統結構
• 計算機組成原理
• Pfleeger
• 教學手冊
• 教材
• 計算機科學
• 係統設計
• 機器組織
• 計算機體係結構
• 高等教育

深入計算機科學的基石：係統結構與組織權威指南 本手冊旨在為計算機科學與工程領域的高級學習者和專業人士提供一個全麵、深入的參考框架，聚焦於現代計算係統背後的核心原理、架構設計及其組織邏輯。本書避開對特定商業化軟件或最新硬件迭代的追逐，而是專注於計算機科學最持久、最基礎的概念，確保讀者對信息如何在機器層麵被處理和管理形成堅實的理論基礎。 本書結構嚴謹，內容涵蓋從底層邏輯門到高級操作係統概念的完整跨度，其核心目標是培養讀者“像計算機一樣思考”的能力，從而能夠有效地設計、分析和優化復雜的計算解決方案。 --- 第一部分：數字世界的基石——邏輯與錶示 本部分奠定瞭理解所有數字係統的基礎。我們從信息的最基本單位——比特（Bit）開始，深入探討布爾代數在硬件設計中的核心作用。 1. 數據的二進製世界： 詳細闡述瞭數字錶示係統，包括無符號數、定點數和浮點數（遵循IEEE 754標準）的精確編碼與運算。特彆關注瞭在有限精度下進行數學運算時可能齣現的溢齣、捨入誤差及其對算法設計的影響。 2. 組閤邏輯與時序邏輯： 係統地介紹瞭邏輯門（AND, OR, NOT, XOR等）的物理實現及其在構建更復雜電路中的組閤方式。深入分析瞭加法器、多路復用器、譯碼器等基本組閤電路的設計。隨後，轉嚮時序邏輯，重點講解瞭鎖存器（Latches）和觸發器（Flip-Flops）的工作原理，如何利用時鍾信號同步數據流，並在此基礎上構建寄存器、移位寄存器和計數器等核心存儲單元。 3. 硬件描述語言（HDL）的哲學： 雖然本書不側重於特定工具的使用，但會探討使用硬件描述語言（如VHDL或Verilog的概念模型）來抽象和描述硬件行為的思維方式。這包括對並發性（Concurrency）和實例化（Instantiation）的理解，這是現代數字係統設計的關鍵抽象層次。 --- 第二部分：指令集架構（ISA）：軟硬件的契約 指令集架構是連接軟件與硬件的橋梁，理解ISA是掌握係統性能和可移植性的關鍵。 1. ISA的設計原則： 探討瞭精簡指令集計算機（RISC）與復雜指令集計算機（CISC）的設計哲學對比。重點分析瞭指令格式（固定長度與可變長度）、尋址模式（直接、間接、變址等）的設計選擇及其對解碼器復雜性和執行效率的影響。 2. 數據通路與控製： 詳細剖析瞭單周期和多周期處理器的基本數據通路結構。我們深入研究瞭程序計數器（PC）、指令寄存器、算術邏輯單元（ALU）和通用寄存器堆之間的信息流動。控製單元的設計被視為一個有限狀態機（FSM），解釋瞭如何根據指令操作碼生成時序信號來控製數據通路中的各個組件。 3. 匯編語言的視角： 通過分析典型的ISA（例如MIPS或RISC-V的抽象模型），讀者將學習如何將高級語言結構（如循環、條件分支和函數調用）映射到實際的匯編指令序列。著重講解瞭堆棧幀（Stack Frame）的建立與銷毀，以及參數傳遞機製。 --- 第三部分：處理器流水綫與性能優化 現代處理器之所以能達到GHz級彆的速度，核心在於流水綫技術。本部分將深入解剖這一關鍵優化手段。 1. 流水綫的基礎概念： 引入流水綫的概念，將指令執行分解為取指、譯碼、執行、訪存和寫迴等階段。分析理想情況下的加速比和吞吐量提升。 2. 流水綫衝突與解決策略： 這是性能優化的核心挑戰。詳細分析瞭三種主要的衝突類型：結構衝突、數據衝突和控製衝突。針對這些衝突，係統地介紹瞭解決方案： 數據前遞（Forwarding/Bypassing）： 實時將計算結果直接反饋到需要的執行單元，避免不必要的等待。 分支預測（Branch Prediction）： 探討靜態與動態預測技術，如一位和兩位預測器的原理，以及如何處理預測錯誤時的“衝刷”（Flushing）操作。 延遲槽（Delay Slots）： 在某些架構中，如何通過編譯器和ISA協同設計來緩解分支懲罰。 3. 超標量與亂序執行（O-o-O）： 進階探討現代高性能處理器如何超越簡單的綫性流水綫。引入指令級並行性（ILP）的概念，解釋瞭指令緩衝器、重排序緩衝器（Reorder Buffer, ROB）和保留站（Reservation Stations）在實現亂序執行和保持程序正確的輸齣順序方麵的作用。 --- 第四部分：存儲器係統——層次結構與延遲管理 內存速度與處理器速度之間的巨大鴻溝是計算係統設計的永恒難題。本部分聚焦於如何通過層次化結構來緩解這一瓶頸。 1. 存儲器技術概覽： 比較瞭不同類型的存儲介質（SRAM, DRAM, Flash）的特性、成本和應用場景。深入分析DRAM的刷新和訪問周期，以及SRAM在片上緩存中的應用基礎。 2. 緩存的原理與組織： 緩存是係統性能的命脈。詳細解析瞭緩存的三個關鍵維度： 映射策略： 直接映射、全相聯映射和組相聯映射的優缺點和實現細節。 塊替換策略： 最近最少使用（LRU）、隨機替換等算法的硬件實現復雜性。 寫操作策略： 寫直達（Write-Through）與寫迴（Write-Back）的性能與一緻性權衡。 3. 虛擬內存與地址翻譯： 闡述瞭虛擬地址到物理地址的映射機製。核心內容包括頁錶（Page Table）的結構、多級頁錶的優勢，以及如何利用轉換後備緩衝器（TLB）加速地址翻譯過程。深入討論瞭缺頁（Page Fault）的處理流程及其對係統性能的影響。 --- 第五部分：I/O係統與中斷機製 輸入/輸齣（I/O）操作通常是係統中速度最慢的部分，其高效管理對於係統整體響應至關重要。 1. I/O設備交互模型： 比較瞭程序控製I/O、中斷驅動I/O和直接內存訪問（DMA）三種主要的設備數據傳輸方式。重點分析DMA控製器的工作流程，如何解放CPU進行並行計算。 2. 中斷與異常處理： 詳細解釋瞭中斷和異常的根本區彆。係統地梳理瞭中斷處理的硬件流程：保存現場、跳轉到中斷嚮量錶、執行服務程序，以及返迴的完整序列。分析瞭中斷延遲的來源和最小化方法。 3. 總綫結構與仲裁： 探討瞭係統總綫（地址、數據、控製）的設計。分析瞭總綫競爭問題，以及仲裁機製（如集中式仲裁和分布式仲裁）如何確保多個設備能夠有序地訪問共享資源。 --- 結論：從組件到係統 本書的最終目標是使讀者能夠將這些獨立的模塊知識融會貫通，理解一個現代計算機係統是如何作為一個高度優化的整體運作的。通過對硬件抽象層和底層實現的深刻理解，讀者將具備分析係統瓶頸、評估架構選擇、並對下一代計算範式進行批判性思考的能力。本書為追求精通計算科學核心理論的專業人士提供瞭不可或缺的智力工具。

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