世界第一简单CPU pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

图书标签:

• CPU
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• Verilog
• FPGA
• 硬件设计
• 嵌入式系统
• RISC-V
• 自制CPU
• 入门教程

 
　　了解基础概念，与程式运作！
　　二进数、数位电路的逻辑运算、各种电路、浮点数介绍
　　CPU构造与指令处理机制、运算指令、微控器……
　　利用本书打好基础才能进阶学习，
　　最易懂的工程师养成入门书！
 
　　电脑的五大单元是什么？
　　自动贩卖机如何记忆投入金额？
　　电脑二进数的「０」与「１」代表两种状态？
　　为什么电脑的处理速度飞快？
　　写程式用高阶语言真的比较好吗？
　　「中断」也是电脑的重要功能？
 
　　想要成为科技新贵，就得筑梦踏实！
　　《世界第一简单CPU》搭配
　　《世界第一简单数位电路》、《世界第一简单半导体》、《图解半导体（修订版）》
　　由里到外，由浅入深，全面认识半导体！
 
　　了解基础概念与程式运作，掌握CPU的原理以及初期CPU的设计！二进数、数位电路的逻辑运算、CPU构造与指令处理机制、运算指令、微控器……本书教你融会贯通各大概念，是最易懂的工程师养成入门书！
 
　　国立台湾大学电机工程学系特聘教授 阙志达  审订

计算机体系结构与数字逻辑基础：深入理解现代计算核心 本书简介： 本书旨在为对计算机底层原理、数字逻辑设计以及微处理器工作机制感兴趣的读者提供一个全面、深入的学习路径。不同于市面上专注于特定编程语言或应用软件的书籍，我们聚焦于计算的“骨架”——计算机体系结构与硬件实现。 第一部分：数字逻辑与布尔代数：构建计算的基石 本部分将带领读者从最基础的逻辑单元开始，理解如何通过逻辑门构建复杂的数字系统。 第1章：信息表示与二进制系统 我们将详细探讨信息在计算机中的基本载体——二进制系统。内容涵盖： 数制转换： 深入讲解二进制、八进制、十六进制之间的精确转换方法，并阐述它们在计算机存储和表示中的实际应用。 有符号数表示： 重点剖析原码、反码、补码（Two's Complement）的原理、优缺点及其在现代处理器中的绝对统治地位。我们将通过大量实例演示补码运算如何简化加减法逻辑。 定点与浮点表示： 介绍IEEE 754标准下的单精度和双精度浮点数格式，分析尾数、指数和符号位的含义，以及由此带来的精度与范围的权衡。 第2章：布尔代数与逻辑门 本章是数字电路的基础。我们将系统学习布尔代数的基本公理、定理（如德摩根定律）以及化简方法。 基本逻辑门： 详细介绍与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）、与非（NAND）、或非（NOR）的功能、真值表和标准符号。 逻辑函数的表示与化简： 教授如何使用卡诺图（Karnaugh Map，K-map）和奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）方法对复杂逻辑函数进行最简化，这是硬件资源优化的关键技术。 组合逻辑电路设计： 基于化简后的逻辑表达式，设计和分析加法器（半加器、全加器）、多路选择器（MUX）、译码器（Decoder）和编码器（Encoder）等核心组合电路。 第3章：时序逻辑电路与存储单元 组合逻辑电路的输出仅依赖于当前输入，而时序逻辑则引入了“记忆”的概念。 锁存器与触发器： 深入解析基本的SR锁存器、D触发器、JK触发器和T触发器的结构、特性（如建立时间、保持时间）和工作原理。重点讨论同步和异步设计的区别。 寄存器与移位寄存器： 讲解如何用触发器构建并行输入/并行输出（PIPO）、串行输入/并行输出（SIPO）等不同类型的寄存器，以及它们在数据暂存和序列处理中的作用。 计数器： 设计和分析异步（Ripple）计数器和同步计数器，包括环形计数器和Johnson计数器，理解它们如何实现时间控制和频率分频。 第二部分：核心组件与数据通路：构建CPU的内部结构 本部分将把离散的逻辑门和触发器组合起来，构建出计算机执行指令的实体——数据通路。 第4章：算术逻辑单元（ALU） ALU是执行所有算术和逻辑运算的“心脏”。 加法器阵列： 从全加器出发，构建快速的并行加法器，如先行进位加法器（Carry-Lookahead Adder）的结构。 减法与乘法： 讲解如何利用补码实现减法，并介绍串行和并行乘法算法（如Booth算法的原理基础）。 逻辑运算与标志位： 分析移位操作、逻辑运算（AND, OR, XOR）的实现，以及如何根据运算结果设置零标志（Z）、进位标志（C）、溢出标志（V）和负标志（N）。 第5章：数据通路与控制单元 本章是理解指令如何被执行的关键。 基本数据通路组件： 描述寄存器堆（Register File）、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和内存地址寄存器（MAR）的功能。 单周期数据通路设计： 首次构建一个能执行基本指令集（如R型、加载/存储指令）的完整数据通路模型，分析指令取指、译码、执行、访存和写回五个阶段在单周期模型下的同步流程。 控制单元基础： 介绍控制单元的功能是生成控制信号，并对比硬布线控制（Hardwired Control）与微程序控制（Microprogrammed Control）的架构差异。 第三部分：指令集架构（ISA）与存储系统 本部分从软件与硬件的交界面——指令集架构入手，并扩展到内存层次结构。 第6章：指令集架构概览 ISA定义了程序员（或编译器）能看到和使用的所有指令和操作。 指令格式分析： 详细分析固定长度和可变长度指令的编码方式。区分操作码（Opcode）、功能码（Funct）和寻址模式。 寻址模式： 系统分类和解析寄存器直接寻址、立即数寻址、直接寻址、寄存器间接寻址以及相对寻址等多种模式，讨论其对程序效率的影响。 RISC与CISC的哲学： 对精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）的设计理念进行深入对比，分析它们在硬件复杂性、时钟周期和编译器优化上的取舍。 第7章：存储器系统层次结构 高效的CPU必须配备快速的存储系统来喂养数据和指令。 存储器基础： 介绍RAM（SRAM与DRAM）和ROM的特性，以及它们在主存中的作用。 Cache工作原理： 深入讲解Cache的概念、映射方式（直接映射、全相联、组相联）以及替换策略（LRU, FIFO）。分析命中率和缺失惩罚对系统性能的决定性影响。 虚拟存储器： 介绍地址转换的概念，理解页表（Page Table）如何实现逻辑地址到物理地址的映射，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻译中的关键作用。 第四部分：性能优化与现代CPU技术 本部分探讨如何突破单周期设计的速度瓶颈，迈向高性能计算。 第8章：流水线技术 流水线是现代高性能CPU的核心加速手段。 基本流水线模型： 剖析五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）的结构，并计算理论加速比。 流水线冒险处理： 详细分析数据冒险（读后写、写后读、写后写）和控制冒险（分支预测）的成因。 解决方案： 讲解数据前递（Forwarding/Bypassing）技术如何解决数据冒险，以及分支延迟槽和动态分支预测器（如两级预测器）如何缓解控制冒险。 第9章：现代CPU中的高级技术概述 本章简要介绍超越基础流水线的技术，为读者后续深入学习打下基础。 超标量与乱序执行： 解释超标量（Superscalar）架构如何在一个时钟周期内发射多条指令，并介绍指令重排序（Out-of-Order Execution）如何通过保留站和重排序缓冲（ROB）来提高指令级并行性。 向量处理与SIMD： 简述单指令多数据（SIMD）的概念及其在多媒体和科学计算中的应用（如SSE, AVX扩展）。 本书内容层层递进，从最基本的逻辑门开始，逐步构建起一个功能完备且高效的计算机系统模型，确保读者不仅了解“做什么”，更能理解“如何实现”这些计算过程。本书适合计算机科学、电子工程专业的学生，以及希望深入理解计算机硬件工作原理的专业人士和爱好者阅读。

作者简介

涩谷道雄

　　1971年，东海大学工学系电子工学科毕业。
　　民间医疗机关研究中心NMR等的研究员。
　　1979年，在外商半导体厂商，从事MOS的企划、开发、设计等长达12年。
　　之后在国内半导体商业公司、外商IC厂商的技术部门，从事IC的设计开法等。
　　2007年5月，在半导体商业公司（株）三共社，以应用工程师（Field Application Engineer）的身分活动。现为同家公司的特别顾问。

　　〈着作〉
　　《用Excel学讯号分析与数值模拟》
　　《用Excel学傅立叶转换》
　　《世界第一简单傅立叶分析》
　　《世界第一简单半导体》
　　《用电路模拟器LPspice学电子电路》（以上皆为欧姆社出版）
 
审订者简介

阙志达

　　现职：
　　国立台湾大学电机系 教授

　　学历：
　　国立台湾大学电机系学士
　　美国加州理工学院电机系硕士、博士

　　经历：
　　国立台湾大学电机系副教授
　　国立台湾大学电子研究所所长
　　台湾积体电路设计学会理事长
　　国家实验研究院晶片系统设计中心主任

　　专业资格：
　　国际电机电子工程师学会 (IEEE) Fellow
 
译者简介

卫宫纮

　　清华大学原子科学院学士班。自由译者，译作有《上司完全使用手册》（东贩）、《超慢跑入门》（商周）、《男人懂了这些更成功》（潮客风）、《世界第一简单电力系统》（世茂）……等。

第1章 CPU的功用1
以电脑处理各种资讯11
电脑的核心是CPU（中央运算处理单元） 14
电脑的五大单元16
CPU的核心是ALU（算术逻辑单元） 22
CPU的运算与判断25
「资讯」是什么？ 30
数位资讯与类比资讯的差异32

第2章  数位运算35
电脑的世界採用二进数36
「0与1」是相反的状态37
十进数与二进数38
二进数的数值表示40
定点数与浮点数42
二进数的加法与减法44
逻辑运算是什么？ 48
IC内含逻辑电路48
三大基本电路（AND、OR、NOT） 51
真值表、文氏图53
AND电路、OR电路、NOT电路的整理55
其他的基本电路（NAND、NOR、EXOR） 57
NAND、NOR、EXOR电路的整理58
第摩根定律60
运算电路62
加法电路62
半加法器64
全加法器、涟波进位加法器66
涟波进位加法器和进位预看加法器68
记忆电路70
必备的记忆电路70
记忆电路的基础──正反器74
RS正反器76
D正反器与时脉讯号78
T正反器与计数器81
最近的电路设计是什么？（CAD、FPGA） 85

第3章  CPU的构造87
记忆体与CPU的相关知识88
记忆体的位址分配89
资料的通道：汇流排92
汇流排宽度与位元数94
R／W控制与I／O控制98
指令由运算元和指令码构成101
运算所需的暂存器103
CPU处理指令的步骤106
传统CPU的构造106
CPU处理指令的步骤107
以程式计数器改变指令112
各种记忆单元115
硬体和记忆体的比较116
RAM领域、ROM领域与I／O领域119
中断是什么？ 122
中断也是种功能122
堆叠与堆叠指标126
中断的优先度128
记忆体的分类132
I／O埠与GPU 133
时脉频率与准确度134
时脉产生器135
计时器中断136
重置的动作138
判定CPU效能的指标（FLOPS值） 139

第4章  运算指令141
指令的种类142
指令有很多种类144
算术运算、逻辑运算的指令146
移位是什么？ 147
可表示负数的正负号位元149
逻辑移位与算术移位151
循环移位（回转移位） 154
资料传输的指令155
输入输出的指令156
分歧指令157
分歧指令、跳跃指令与跨越指令159
条件判断和状态旗标160
「分歧指令」和「条件判断」的组合163
运算元的种类164
运算元的数量164
运算元的各种形式167
即值处理168
位址参照169
定址法170
ALU的运算机制178
探索ALU的内部178
串列传输与并列传输187
基本暂存器的整理188
基本状态旗标的整理190
休眠指令192

第5章  程式193
组合语言与高阶语言194
组合语言是什么？ 196
组合语言和高阶语言的特征198
程式和原始码的差异203
程式的基本知识204
条件判断和跳跃的功能204
想要让电脑做什么事？ 208
程式保存在哪里？ 212
程式在动作前的执行流向213
第6 章  微控器215
微控器是什么？ 216
许多产品都有微控器217
微控器的功能218
微控器的构造223
DSP是什么？ 226
DSP和乘积累加运算228
产业机器的应用229
尾声231
〈最近的CPU趋势〉242
索引245
作者介绍249

序

　　一九五○年代网路开始普及后，IT技术逐渐受人重视，而IT技术的核心就是称为CPU（中央运算处理单元）的半导体零件。迈入二十一世纪，电路设计技术与制造技术的跃进，使CPU得以高速化、小型化，广泛应用于生活週遭的电器产品，例如电脑、智慧型手机、平板装置，此外，冷气、冰箱、洗衣机等白色家电1也都运用了CPU。

　　电脑等装置的CPU具有多功能，但本书将不解说过于艰深的概念，因此本书不介绍近年的研究主流之一——电脑构成（Computer Architecture）。

　　然而，不论科技如何进步，只要掌握CPU的原理、初期CPU的基础概念，即可了解CPU是什么，以及程式的运作。举例来说，我们已习惯以汽车代步，但几乎没有人能够说明为什么汽车可以移动，也就是说，很少人知道引擎的运作原理与动力传导机制。据说一九五○年代的驾照考试会出关于引擎构造的题目，但这种考题早已不列入出题范围。由此可知，现在想了解引擎构造等相关知识的人，好奇心真的很旺盛。

　　同样的，我认为，学习现在已完全融入我们生活中的CPU的运作原理，不只可以满足好奇心，也可训练思考，因此本书想向读者介绍CPU。

　　本书得以出版，必须感谢将内容改编成有趣故事的office sawa泽田佐和子小姐，以及作画的十 高志先生，感谢他们的大力协助。
 
　　1 家电界把传统家电分为三类：替人类做家务的白色家电、提供娱乐的黑色家电，以及输出功率小的小家电。

记忆体的分类
 
ROM是「Read Only Memory」的简称，即使没有供应记忆体电源，也能继续保存资料，但只能读取该笔资料。
 
另一方面，RAM是「Read Access Memory」的简称，不受限于位址的顺序，能够随机指定位址，以读取、写入资料。有些人会以为「ROM和RAM」是相对的，但事实并非如此。
 
如上图所示，与RAM相对的是SAM（Sequential AccessMemory），这是过去用于磁带、磁鼓（magnetic drum），按照记忆体位址顺序来读写的记忆体。与ROM相对的则是RWM（Read Write Memory）。
 
即使没有供应电源，也能继续保存写入的资料，等到再次供应电源时，即可读写原资料的记忆体，称为「非挥发性记忆体（Nonvolatile Memory）」。与此相对，停止供应电源（切断电源），记忆资料便会消失的记忆体，称为「挥发性记忆体（Volatile Memory）」。
 
最近，我们则称挥发性记忆体为「RAM」；非挥发性记忆体为「ROM」。
 
◆ I／O埠与
 
若I／O（输入、输出）装置没有和CPU的暂存器、ALU连接，外部的输入即无法传递到CPU。
 
外部的输入不单指以键盘输入的文字，还包括电力讯号。此外，若不将运算结果的电力讯号，以「闪烁LED」等方式输出，电脑就无法和人类互动。
 
因此，与连接外部记忆体的原理相同，内部汇流排会借由I／O埠（输入、输出埠），连接外部装置。
 
我们平常使用的电脑输出单元——电脑萤幕，其实大多没有和运算中的CPU直接相连。
 
萤幕画面是利用GPU（Graphics Processing Unit，图形处理专用的运算IC），做出图像并显示出来。而内含GPU的大型系统专用CPU，即设有GPU专用的I／O埠。

除了电脑的大型系统，配备彩色LCD（液晶萤幕）显示器的机器，CPU仍会经由I／O埠，将资料传给LCD控制器，接着，LCD控制器与驱动器再输出画面。
 
◆ 时脉频率与准确度
 
操作CPU当然需要电源。此外，「时脉（时脉频率；Clock Frequency）」这种在一定週期内，重复H位准和L位准的讯号也是必要的。
 
顺带一提，「频率」是指波（讯号）每秒重复的次数。
 
时脉讯号扮演着「CPU心脏脉搏」的角色，如要驱动CPU内部的电路（例如，将资料锁存到ALU、推进程式计数器的区块※），时脉讯号是不可或缺的。
 
※区块是指为了实现某功能所集结的资料块。
 
时脉的单位是Hz（赫兹），表示「每秒能够重复几次时脉动作」，例如，40MHz表示每秒重复四千万次时脉动作。

评分☆☆☆☆☆

說真的，我本來對「CPU」這種東西興趣缺缺，總覺得那是工程師的專業領域，跟我這種一般上班族的生活沒什麼關係。直到我在誠品翻到《世界第一簡單CPU》，那書名簡直像個小惡魔在耳邊低語：「試試看嘛，一點都不難！」我猶豫了一下，還是把它帶回家了。沒想到，這本書顛覆了我對科技書的刻板印象。作者就像是一位非常有耐心的老師，他沒有直接丟給我一堆冰冷的數據和複雜的圖表，而是從最基礎的概念開始，一步一步地引導我。他用了好多貼近生活的例子，像是把CPU比喻成一個非常有效率的指揮官，下達各種指令，然後由不同部門的小助手們去執行。我尤其喜歡他講解「指令集」的部分，他沒有用那種死板的說明，而是用一種遊戲化的方式，讓我覺得自己在參與一個有趣的解謎過程。讀著讀著，我發現自己竟然開始理解CPU是如何處理數據，如何執行程式，甚至還能稍微想像出它在電腦裡工作的樣子。這真是太神奇了！以往看到相關的技術文章，我都是直接跳過，但這本書讓我第一次覺得，原來科技也可以這麼有趣，這麼容易親近。我個人非常推薦給對電腦運作原理感到好奇，但又害怕專業術語的讀者，這本書絕對會讓你耳目一新，打破你對「難懂」的恐懼。

评分☆☆☆☆☆

身為一個對科技產品充滿好奇，但又對其內部構造一知半解的普通消費者，我一直渴望能找到一本能讓我輕鬆理解CPU原理的入門書。《世界第一簡單CPU》這個書名，無疑是為我這種讀者量身打造的。我原本以為，這只是一本將複雜概念「簡化」的書，但實際閱讀後，才發現它遠不止於此。作者的寫作方式極富啟發性，他將CPU的複雜運作，比喻成一個高度組織化的工廠，每個部門都有特定的任務，精確地協調工作。我特別欣賞他在解釋「指令解碼」和「執行」的段落，他運用了類似於「解鎖」和「執行任務」的比喻，讓我知道CPU如何理解並執行我們發出的指令。這本書並沒有為了「簡單」而犧牲準確性，反而是在保留核心概念的前提下，用最容易理解的語言和比喻來呈現。我甚至覺得，這本書不只教我CPU，更教會了我一種學習抽象概念的方法。我曾經對CPU感到無比遙遠和神秘，但閱讀了這本書之後，我對它的理解程度，可以說是有了一個質的飛躍。我非常期待這本書能夠幫助更多像我一樣的讀者，打破對科技的隔閡，真正地理解和欣賞我們日常使用的科技產品背後的智慧。

评分☆☆☆☆☆

老實說，我對電腦硬體方面的知識一直停留在「能開機、能上網」的初級階段，對於CPU這種聽起來就很「硬」的東西，更是敬而遠之。《世界第一簡單CPU》這個書名，實在是太吸引人了，讓我覺得「是不是真的有這麼簡單？」所以，我抱著試一試的心態買了這本書。結果，我真的被作者的功力給折服了！他運用了大量我們日常生活中熟悉的例子，比如把CPU的運作比喻成「點餐流程」，從你發出指令，到廚房（CPU）接收、處理、最後上菜（結果），整個過程都描述得清清楚楚。我尤其喜歡他解釋「時脈」的部分，他用「節拍器」來比喻，讓我知道CPU的工作速度是很有規律的。而且，他還很貼心地解釋了不同指令在CPU裡是怎麼被「翻譯」和執行的，我以前總以為指令就是直接被執行的，沒想到中間還有這麼多環節。這本書完全沒有那種硬梆梆的感覺，反而像是在聽一位老朋友在講故事，不知不覺中，就把複雜的CPU原理給吸收了。我真的覺得，這本書不僅僅是介紹CPU，更是在教導我們如何用簡單、直觀的方式去理解複雜的事物。我推薦給所有對電腦好奇，但又害怕艱澀理論的朋友們，這本書絕對會讓你驚豔！

评分☆☆☆☆☆

我一直對電腦內部是如何運作的感到相當好奇，但礙於自己理工背景較弱，許多關於硬體的書籍都讓我望而卻步。直到最近，我偶然在網路書店看到了《世界第一簡單CPU》這本書，它的書名引起了我的注意，讓我產生了一絲希望。拿到書後，我迫不及待地翻開。作者的寫作風格非常獨特，他沒有使用艱澀難懂的專業術語，而是用一種非常生動、有畫面感的方式來解釋CPU的概念。我最欣賞的地方是，他將CPU的內部結構比喻成一個繁忙的城市，而各個元件就像城市裡的居民，各司其職，共同協作。例如，他把「暫存器」比喻成辦公桌上的便條紙，用來快速記錄當前需要使用的資訊；把「運算邏輯單元(ALU)」比喻成精打細算的會計師，負責處理各種加減乘除。這種生動的比喻，讓我一下子就理解了原本抽象的概念。書中還穿插了許多歷史小故事，讓我知道CPU的發展歷程，這也增加了閱讀的趣味性。我發現，透過作者的引導，我不再是對CPU感到一頭霧水，而是能更清晰地理解它在整個電腦系統中扮演的角色，以及它是如何一步一步完成複雜的運算。這本書真的打破了我對科技書籍的迷思，讓人覺得原來這麼高深的技術，也可以用如此平易近人的方式來呈現。

评分☆☆☆☆☆

天啊，我最近在書店看到一本名字超霸氣的書，叫做《世界第一簡單CPU》！光是書名就讓我眼睛為之一亮，心裡想著：「哇，這到底是有多簡單？難道真的能讓我這種對電路圖一竅不通的人也能理解CPU到底是什麼嗎？」我平常對3C產品都抱持著「能用就好」的態度，頂多知道CPU是電腦的大腦，但更深入的原理就一概不知了。這次抱著一種「反正就當成故事看看」的心情，翻開了這本書。一開始就被作者的敘述方式給吸引住了，他用了一種非常生活化的比喻，彷彿在講一個精彩的冒險故事，而不是枯燥的技術說明。我最怕那種滿是專業術語、看了就頭昏眼花的內容，但這本書完全沒有這個問題，反而讓我對CPU的運作方式產生了極大的好奇。我特別喜歡其中一個章節，它把CPU的各個部分想像成一個個辛勤工作的小精靈，負責處理各種指令，然後將結果傳遞出去。這個想像力真的太豐富了，讓我腦海中立刻浮現出一個生動的畫面。我已經迫不及待想知道，這些小精靈到底是如何合作，才能讓我們的電腦跑得這麼快！這本書的封面設計也很簡潔有力，沒有過多的花俏，完全符合「簡單」的主題。我感覺這本書不只是在介紹CPU，更是在啟發讀者對科技的興趣，讓人覺得原本遙不可及的技術，其實也沒有那麼難以理解。我真的非常期待接下來的閱讀體驗，希望能夠像書名說的一樣，真的讓「世界第一簡單CPU」變得不再是遙不可及的夢想。