情報學理論與實務：大學用書系列(一品)(九版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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李修安

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《現代計算機體系結構與系統設計：從底層邏輯到前沿應用的深度探索》 本書簡介 本書旨在為計算機科學與技術、軟件工程、電子信息工程等相關專業的師生及業界專業人士，提供一套全面、深入且與時俱進的計算機體系結構與系統設計的理論基礎與實踐指南。我們著重於剖析現代計算機系統的複雜性，從最底層的物理實現邏輯，逐步向上構建至操作系統、編譯器、並行計算模型乃至雲計算架構的宏觀理解。 第一部分：計算機底層基礎與硬件邏輯 本部分首先回溯並深化了數字邏輯與布爾代數在現代計算機設計中的核心地位。詳細闡述了組合邏輯與時序邏輯電路（如解碼器、多路複用器、觸發器、寄存器和寄存器堆棧）的設計原理及其在核心功能單元中的應用。 隨後，本書將重點轉向處理器（CPU）的內部結構。我們對指令集架構（ISA）進行了詳盡的比較分析，涵蓋了CISC（如x86）與RISC（如ARM、RISC-V）的設計哲學及其對軟件編譯和硬件實現的深遠影響。書中詳細闡釋了指令流水線（Pipeline）技術，包括如何優化指令獲取、解碼、執行和寫回階段，深入探討了數據冒險、控制冒險及其在超標量處理器中的解決方案，如分支預測、指令級並行（ILP）技術和動態調度。 在存儲層次結構方面，本書給予了極大的篇幅。我們不僅解釋了SRAM和DRAM的基本工作原理，更細緻地剖析了多級緩存系統（L1, L2, L3 Cache）的設計參數，如塊大小、集關聯度、寫回策略（寫通、寫回）以及缺頁和緩存替換算法（LRU、Pseudo-LRU）。同時，本書涵蓋了主存（DRAM）的刷新、定時參數、ECC校驗碼的應用，以及面向高性能計算的新型存儲技術，如持久性內存（Persistent Memory）的潛在應用場景。 第二部分：操作系統與系統軟件的交互 本部分是連接硬件與應用程序的橋樑。我們首先深入探討了操作系統的核心功能與設計。這包括進程與線程管理、上下文切換的開銷與優化、處理器調度算法（如分時、優先級、最短剩餘時間優先等）的數學模型與性能評估。 內存管理單元（MMU）的機制是本章的重點。我們詳解了虛擬內存的概念，包括分頁（Paging）與分段（Segmentation）的混合使用，TLB（轉換後援緩存）的工作原理及對性能的影響。同時，本書對內存分配算法（如首次適配、最佳適配）和虛擬內存的交換（Swapping）與分頁中斷（Page Fault）處理流程進行了嚴謹的推導。 文件系統方面，本書超越了傳統的文件結構介紹，重點分析了現代文件系統（如ext4, ZFS, Btrfs）的日志（Journaling）機制、i-node結構、空間分配策略以及數據完整性保護技術。對於I/O子系統，我們探討了中斷處理、DMA（直接內存訪問）的效率優勢，以及不同I/O模型（輪詢、中斷驅動、異步I/O）的性能權衡。 第三部分：並行計算、並行性與異構系統 隨著摩爾定律的演進，單核性能提升趨緩，並行計算已成為提升系統吞吐量的核心驅動力。本章深入探討了並行處理的不同層級。 首先，從指令級並行（如超長指令字VLIW）過渡到數據級並行（SIMD，如SSE/AVX擴展），並解釋了向量化編譯技術如何自動或手動地優化循環結構以利用這些特性。 其次，本書詳盡闡述了多核與多處理器系統的內存一致性模型。我們將重點分析基於目錄（Directory-based）和基於嗅探（Snooping-based）的緩存一致性協議，如MESI、MOESI協議的狀態轉移圖與其對程序正確性的保證。同時，同步機制（如鎖、信號量、原子操作）的底層實現及其在避免競態條件中的作用被詳細剖析。 最後，本書專門開闢章節討論異構計算架構。這包括GPU（圖形處理單元）的SIMT（單指令多線程）架構、CUDA/OpenCL編程模型中的核心概念（如網格、塊、線程層次結構），以及CPU與GPU之間的高速互連技術（如PCIe、NVLink）的性能瓶頸分析。 第四部分：系統調優、性能分析與未來趨勢 本部分面向實踐，探討如何度量和優化計算機系統的性能。我們介紹了硬件性能監測工具（如Perf、VTune）的使用方法，並教授讀者如何解讀性能計數器（Performance Counters）數據，識別CPU時鐘週期浪費的主要來源（如緩存未命中、分支錯誤預測、內存延遲）。 系統調優策略被系統化地分類，從底層的指令重排到上層的I/O批處理優化，提供了一套完整的性能診斷流程圖。 在展望未來部分，本書探討了面向人工智能與大數據的計算機體系結構演進，包括專業化加速器（TPU、NPU）的設計思路， Chiplet技術的集成趨勢，以及邊緣計算對傳統集中式架構帶來的挑戰與機遇。 適用對象 本書適合作為高等院校計算機科學、軟件工程專業的《計算機體系結構》、《計算機組成原理》、《高性能計算導論》等課程的教材或參考書。同時，對於希望深入理解操作系統、編譯器優化、嵌入式系統開發以及系統級性能調優的軟件工程師和科研人員而言，本書提供了堅實的理論基礎和豐富的實踐指導。通過系統學習，讀者將能夠從根本上理解計算機系統的限制與潛力，從而設計出更高效、更可靠的軟件與硬件解決方案。

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這本參考書在大學生涯中簡直是我的救星，特別是對於那些初次接觸資訊科學領域的新鮮人來說，內容的編排非常紮實且易於理解。作者群顯然對這個學科的脈絡掌握得非常透徹，從最基礎的邏輯運算到後續比較複雜的演算法設計，都能用清晰的圖表和實例輔助說明。我記得有一次為了準備期中考，光是靠這本書裡的習題和詳解，就讓我對那些抽象的概念豁然開朗，尤其是一些比較硬核的章節，書中提供的「實務應用」區塊，真的能讓我們這些學生感受到理論與實際操作之間的橋樑是如何搭建起來的。它並不是那種只會堆砌艱深術語的教科書，而是真的用心在引導讀者去思考「為什麼」和「怎麼做」。如果沒有這本當作主要的學習指南，我想我可能早就迷失在各種複雜的學術名詞裡，無法順利地完成報告和作業了。它的深度和廣度都拿捏得恰到好處，讓人讀起來既有挑戰性，又不會感到氣餒，是理工科系學生書櫃裡不可或缺的一本寶典。

评分☆☆☆☆☆

老實說，我當初買這本書純粹是因為教授指定，原本還擔心內容會過於陳舊，畢竟資訊科技日新月異，一本書的生命週期通常不長。沒想到翻開後，才發現這套書的編者對於「核心概念」的掌握度簡直是藝術等級的。他們沒有過度追逐最新的技術熱詞，而是專注於那些奠定整個資訊領域的基石，像是資訊的本質、編碼系統的原理，以及系統分析的基礎方法論。這種紮根式的教學法，讓我意識到，學好這些「不退流行」的理論，比死記硬背最新的程式語言框架重要一萬倍。我特別欣賞它在討論「資訊的價值與倫理」時的深度，那部分內容讓我對自己所學的領域有了更宏觀的認識，不只是單純的工程師思維。對於想要在業界走得長遠的人來說，這種價值觀的培養遠比單純的技術操作來得有份量。這本書就像是一個堅固的地基，讓你在上層建築蓋得再高，都不會因為風吹雨打而搖晃。

评分☆☆☆☆☆

說真的，這本參考書的價格雖然不便宜，但如果攤開來看它提供的學術價值和耐用度，簡直物超所值。它不是那種讀完一學期就束之高閣的工具書，而是可以陪伴你從大一念到畢業甚至研究所的長青樹。我身邊好幾個學長姐都告訴我，他們在準備研究所複試時，很多核心問題都是從這本書裡面延伸出來的，可見其內容的權威性和深度是如何被業界和學術界認可的。它所建立的知識框架，足以讓你面對未來各種新興技術的挑戰時，都能迅速找到切入點，因為你知道萬變不離其宗的那些核心原則是什麼。這種深厚的內功，才是真正值錢的地方，它教會的不只是「知識」，更是一種面對資訊科學問題的「方法論」。

评分☆☆☆☆☆

這套書的排版和裝幀設計，老實講，在台灣眾多教科書中算是相當用心的一流。紙質的選用很棒，即使我經常在圖書館或咖啡廳翻閱，寫滿密密麻麻的筆記，書頁也不容易破損或反光，這對長時間閱讀者來說簡直是福音。更不用說，它的索引和關鍵詞標註做得非常精確，當你需要快速回溯某個專有名詞的定義時，幾乎是秒開到正確頁面，這點對於考試周的效率提升簡直是救命稻草。而且，雖然內容是學術性的，但它所採用的中文翻譯非常本土化，很少出現那種生硬、翻譯腔濃厚的句子，讀起來非常順暢自然，符合台灣學術界的表達習慣。這絕對是許多翻譯書無法比擬的優勢，讓學習過程中的「認知負荷」降低了不少，我可以把心力更集中在理解複雜的理論本身，而不是去解讀文字的障礙。

评分☆☆☆☆☆

從一個比較實務操作的角度來看，這本教材在整合不同學科知識的串聯性上做得相當出色。它沒有將「硬體、軟體、網路」這些領域各自為政地處理，而是巧妙地讓讀者理解它們是如何在一個資訊系統中互相依存、彼此影響的。例如，當它解釋快取記憶體的工作原理時，會立刻連結到作業系統的排程機制，這種跨領域的思維訓練，對於未來想從事系統整合或架構設計的同學來說，是極為寶貴的經驗。我記得有一次我們在做一個跨學程的專題，需要設計一個包含資料庫、網路傳輸和使用者介面的完整流程，幾乎所有關鍵的理論依據，都能在這本書的章節中找到對應的基礎解釋，這份全面性實在令人印象深刻，感覺它不只是一本「理論書」，更像是一本「知識地圖」。