计算机结构：计量方法 5/e pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

图书标签:

• 计算机结构
• 计算机体系结构
• 计量方法
• 性能评估
• 处理器设计
• 存储系统
• 并行计算
• 流水线
• 缓存
• 指令集架构

深度解析：现代计算系统的基石与未来 本书聚焦于计算科学与工程领域中至关重要的底层理论与实践应用，旨在为读者构建一个全面、深入且与时俱进的计算机系统认知框架。我们不再满足于表层的软件交互，而是深入到硅片之上、逻辑门之内的核心机制。 第一部分：计算的根基——从物理到逻辑的转换 本部分旨在为读者夯实理解复杂系统的基础。我们首先审视信息论的本质，探讨信息如何在物理世界中被编码、传输与存储，并引入布尔代数与组合逻辑电路的设计原理。 1. 信息与表示的数学基础： 深入探讨信息熵的概念，理解数据压缩的理论极限。详述定点与浮点数表示法（IEEE 754标准）的细节、精度损失的来源及其在算法实现中的影响。重点分析字符编码系统（如ASCII到Unicode的演进）如何支撑全球化软件的运行。 2. 逻辑门阵列与组合电路： 从最基本的晶体管（MOSFET）工作原理出发，剖析其作为开关的基本功能。系统地介绍与、或、非、异或等基本逻辑门，并逐步过渡到更复杂的组合逻辑单元，如译码器、多路复用器和加法器。读者将掌握使用卡诺图（Karnaugh Maps）和布尔代数简化表达式，以及利用门阵列实现特定逻辑功能的方法。 3. 时序逻辑与状态存储： 本章阐述系统如何“记忆”信息。详细讲解触发器（Latches与Flip-Flops，如SR, D, JK, T型）的工作机制及其在时钟同步系统中的作用。在此基础上，构建寄存器、移位寄存器和有限状态机（FSM）。通过设计一个简单的计数器和序列检测器实例，展示时序逻辑在控制单元设计中的核心地位。 第二部分：指令集架构（ISA）的艺术与工程 指令集架构是硬件与软件的契约。本部分将拆解这一契约的各个组成部分，揭示处理器如何解释和执行程序。 4. ISA设计哲学与分类： 对比精简指令集计算（RISC）和复杂指令集计算（CISC）的设计思想、优缺点及其在当代处理器中的融合趋势。深入分析操作码（Opcode）的设计、寻址模式的丰富性（立即数、寄存器、直接/间接存储器寻址）如何影响编译器优化的空间。 5. 汇编语言与数据通路基础： 通过MIPS或类RISC架构（如RISC-V的子集）的视角，详细解析常用指令集：算术逻辑指令、数据传输指令、控制流指令（分支与跳转）。在此基础上，构建一个简化的单周期数据通路图，展示指令从取指到写回的完整流程。重点讨论程序计数器（PC）的更新机制。 6. 堆栈、函数调用与过程间控制流： 详细剖析调用约定（Calling Conventions）在不同操作系统和架构下的实现细节。讨论函数参数的传递、局部变量的存储、返回地址的管理，以及如何使用堆栈帧（Stack Frame）来实现安全的函数调用和递归。分析`call`和`return`指令的底层操作。 第三部分：实现高性能——流水线、存储器层次结构与I/O 现代计算系统的速度瓶颈往往不在于时钟频率本身，而在于如何有效管理指令的执行流和数据的访问延迟。本部分将聚焦于性能优化的核心技术。 7. 指令级并行性与流水线技术： 系统介绍五级（或更多级）经典流水线（取指、译码、执行、访存、写回）的结构与操作。深入分析流水线中的三大挑战：数据冒险（Data Hazards）、控制冒险（Control Hazards，即分支预测失败）和结构冒险（Structural Hazards）。详细讲解转发/旁路（Forwarding/Bypassing）机制和分支预测器的原理，阐述它们如何提高指令吞吐量（IPC）。 8. 存储器层次结构的优化： 解释为什么需要多级存储器系统（寄存器、L1/L2/L3缓存、主存、辅助存储）。重点剖析高速缓存的工作原理：映射策略（直接映射、组相联、全相联）、块置换算法（如LRU的近似实现）以及写操作策略（写直达、写回）。通过计算命中率和平均访问时间，量化缓存性能的影响。 9. 虚拟内存与地址翻译机制： 阐述虚拟地址到物理地址的转换过程，这是操作系统与硬件协同的关键。深入分析页表（Page Tables）的结构，以及如何使用转换后援缓冲器（TLB）来加速地址查找。讨论缺页（Page Fault）的处理流程及其对程序执行的影响。 10. 并行处理与多核架构概述： 初步介绍现代多核处理器中的数据级并行性（SIMD）和线程级并行性。简要概述共享内存模型（UMA/NUMA）的基本概念，以及数据一致性（Cache Coherence）在多核环境中的重要性。 第四部分：可靠性、测试与未来趋势 11. 错误检测与纠正： 探讨系统在物理层面的不可靠性。讲解奇偶校验码（Parity Check）的基本应用，并深入介绍更强大的汉明码（Hamming Codes）的编码与纠错过程。分析系统如何通过冗余设计来提高计算的可靠性。 12. 性能评估的科学方法： 区别于理论性能分析，本章强调实际的系统性能度量。介绍基准测试（Benchmarking）的科学性，如SPEC Suites的应用。讲解如何使用性能计数器（Performance Counters）来收集关键指标（如CPI、IPC、缓存未命中率），并指导读者如何根据测量结果进行针对性的系统优化。 本书的目标是培养出能够从硬件层面理解软件效率的下一代工程师和研究人员，为他们未来在高性能计算、嵌入式系统设计或高级编译器优化等领域的发展奠定坚实的基础。

Chapter 1 计量设计与分析的基础
Chapter 2 记忆体层级的设计
Chapter 3 指令阶层平行化及其开发
Chapter 4 向量、SIMD 与 GPU 结构当中的资料阶层平行化
Chapter 5 执行绪阶层平行化
Chapter 6 开发需求阶层与资料阶层平行化的数位仓储型电脑

Appendix A 指令集原理
Appendix B 记忆体层级的回顾
Appendix C 管线化：基本与进阶的观念

本书序言

　　．新版本的第 1 章份量加重，包括了有关能量、静态功率、动态功率、积体电路成本、可靠性以及可用性的公式。

　　．第 2 章讨论了 10 种先进的快取记忆体最佳化。第 2 章包括新的一节讨论虚拟机，在防护、软体管理及硬体管理方面可以提供好处，也在云端运算方面扮演重要的角色。除了涵盖 SRAM 和 DRAM 的技术之外，本章也包括了讨论快闪记忆体的新教材。PIAT 范例是使用在 PMD 的 ARM Cortex A8 以及使用在伺服器的Intel Core i7。

　　．第 3 章涵盖了指令阶层平行化在高效能处理器上的运用，包括超纯量执行、分支预测、推测机制、动态排程以及多执行绪。第 3 章也衡量了ILP 的限制。就像第 2章，PIAT 范例同样是 ARM Cortex A8 和 Intel Core i7。

　　．第 4 章从介绍向量结构开始，作为建立多媒体SIMD 指令集扩充版和 GPU 之说明的基础。有关 GPU 的章节是本书最难撰写的，因为它得多次反覆说明才能得到精确又容易了解的描述。本章介绍屋顶线效能模型并使用它来比较 Intel Core i7 和 NVIDIA GTX-280 与 GTX-480 GPU。本章也描述了 PMD 所用的 Tegra 2 GPU。

　　．第 5 章描述多核心处理器，探讨对称式与分散式记忆体结构，检视其组织原则与效能；接下去便是同步化与记忆体一致性模型方面的课题。

　　．第 6 章描述计算机结构中的最新课题──数位仓储型电脑 (warehouse-scale computer, WSC)。依靠 Amazon 网路服务和 Google 工程师的协助，本章整合了结构工程师鲜少察觉到的 WSC 之设计、成本与效能的细节。本章在说明 WSC 的结构与实体制作之前 (包括成本)，先从流行的MapReduce 程 式计模型开始。成本让我们得以解释云端运算的兴起，借此可以比较便宜地在云端使用 WSC 作计算，胜过在您的区域资料中心作计算。

评分☆☆☆☆☆

這本《計算機結構：計量方法 5/e》真的是打開了我對硬體世界的新視野，我之前都覺得電腦內部結構就是個黑盒子，只知道怎麼用，但從來沒想過裡面到底是怎么運作的。讀了這本書，簡直像個魔法師破解了咒語一樣！書裡面用了很多圖表和例子，把原本很抽象的概念都講得超清楚。像是那個處理器流水線的部分，我以前聽過但一直霧裡看花，看完這本書，我終於懂了為什麼同一時間會有這麼多指令在跑，而且也理解了為什麼程式寫得好不好會影響到電腦的速度。最讓我驚喜的是，它不只講理論，還會教你怎麼去「量化」這些東西，也就是說，你可以用數字來評估哪些設計比較有效率，哪些地方有瓶頸。這對於想更深入了解效能調校，或是對嵌入式系統有興趣的人來說，根本就是寶藏！我甚至開始想，以後如果要自己組裝電腦，或者考慮買哪種CPU，都會有更科學的依據了。這本書的內容豐富到我每次翻開都覺得有新發現，而且它的圖解真的太神了，把複雜的電路圖和資料流都畫得一目了然，真的大大降低了學習門檻。

评分☆☆☆☆☆

這本《計算機結構：計量方法 5/e》絕對是我近期讀過最令人印象深刻的技術書籍之一。它提供的資訊量非常龐大，但更重要的是，它以一種非常有條理、循序漸進的方式將這些複雜的概念呈現出來。書中對於各個計算機組件的協同運作，從底層的邏輯閘到高層的處理器架構，都有相當深入的探討。我特別讚賞它在「計量方法」這個部分的紮實度，作者不僅解釋了各種效能指標的定義，更重要的是，他提供了實際的分析工具和方法，讓讀者能夠親手去驗證和量化這些效能。這對於我這樣一個喜歡動手實踐的人來說，非常有吸引力。我現在對於如何評估不同指令集架構（ISA）的優勢，如何理解和優化多處理器系統的併發效能，以及如何分析和解決記憶體層級的瓶頸問題，都有了全新的認識。這本書不僅僅是一本關於計算機結構的入門讀物，更是一本能夠引導你深入思考並實際應用效能分析方法的寶典。

评分☆☆☆☆☆

身為一個在科技業打滾多年的工程師，我一直覺得要跟上時代的腳步，就不能停留在表面。這本《計算機結構：計量方法 5/e》對我來說，就像是在堆疊知識的塔尖上，又添上了一塊關鍵的基石。書中對於現代計算機架構的深入剖析，尤其是針對效能分析和優化的方法論，提供了非常紮實的理論基礎。我尤其欣賞它對於快取記憶體（Cache）層級、分支預測、以及多核心處理器之間的協同運作的詳盡闡述。作者並沒有回避那些複雜的數學模型和計量學原理，反而將它們巧妙地融入到實際的案例分析中，讓我能夠理解為什麼某些架構上的決策會對整體系統效能產生如此巨大的影響。這本書的價值不僅在於它傳授知識，更在於它啟發了我用一種更具分析性和量化思維的方式去審視現有的計算機系統。過去我可能只能憑經驗和直覺來判斷問題，但現在，我可以更有系統地找出效能瓶頸，並提出有數據支持的解決方案。這對於我在工作上進行效能調校和系統設計時，提供了極大的助益。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始看到這本書的書名，我以為會是一本很學術、很難懂的教科書。但實際翻開之後，才發現它比我想像的要親切許多。作者在架構的設計原理部分，處理得相當到位，尤其是針對現代處理器的一些關鍵技術，例如超純量（Superscalar）執行、亂序執行（Out-of-Order Execution）等，都做了很細緻的講解。讓我印象深刻的是，書中非常強調「量化」的重要性，這意味著我們不單單是了解技術的原理，更重要的是能夠透過各種指標來評估其效能，並做出優化的決策。例如，它會教你如何去測量和分析記憶體頻寬、指令週期時間、以及快取命中率（Cache Hit Rate）等等，這些數據對於我們在做系統選擇或效能調校時，都有非常直接的參考價值。我覺得這本書對於想要更深入理解計算機系統「如何做到更好」的讀者來說，是一本不可多得的參考書。它的理論深度足夠，但又不會讓你覺得離實際應用太遠，找到了一個很棒的平衡點。

评分☆☆☆☆☆

我一直都對電腦的「內在美」充滿好奇，但過去接觸到的資料，總覺得有點「乾巴巴」，像是在背誦公式。直到我翻開了這本《計算機結構：計量方法 5/e》，才發現原來學習電腦硬體也可以這麼有趣！作者很厲害，他把很多枯燥的技術概念，用很生活化的比喻和生動的圖示來解釋，例如在講指令集架構（ISA）時，他會把它比喻成不同語言之間的翻譯，讓你能立刻理解為什麼要設計出不同的指令集，以及它們各自的優缺點。最讓我印象深刻的是，書裡花了很大的篇幅在講「效能」這個主題，而且是用「計量」的方式來呈現，這讓我不僅知道「是什麼」，更知道「為什麼」以及「如何做到更好」。例如，當我看到關於記憶體存取延遲的分析時，我終於明白為什麼有時候明明CPU速度很快，但整體程式執行起來卻還是卡卡的，原來是記憶體這個環節拖了慢了速度。這本書真的讓我對電腦的運作有了一種「由外而內」的透徹理解，就像是解開了一個巨大的謎團，感到非常滿足。