圖解電腦工作原理 (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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岡?裕史

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圖解電腦工作原理 (電子書) 內容概述 書名：圖解電腦工作原理 (電子書) 內容簡介： 本書旨在深入淺出地剖析當代電腦系統運作的複雜機制，為讀者提供一個清晰、直觀的視角，理解從最底層的電信號到高級應用軟體之間的層層結構與協作方式。全書以豐富的圖解、流程圖和實例分析為核心，力求將抽象的技術概念具象化，讓初學者也能輕鬆掌握電腦科學的基石。 第一部分：硬體基礎與數位邏輯 本部分聚焦於電腦的物理構成及其最底層的運算基礎。 第一章：電與數位信號 探討電子在半導體中的行為，以及如何利用電壓的高低來表示邏輯狀態——0和1。詳細介紹二進位制系統，並解釋其在數位世界中的絕對統治地位。討論數值系統的轉換，例如二進位、八進位、十進位和十六進位之間的相互轉換原理及其在記憶體地址和數據表示中的實際應用。 第二章：邏輯閘與布林代數 深入解析構成所有數位電路的基礎單元：邏輯閘（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）。透過真值表和電路圖，闡明這些基本操作如何組合。隨後引入布林代數，解釋如何使用數學工具來簡化和優化數位邏輯電路設計。將抽象的邏輯運算與實際的電晶體開關行為聯繫起來，展示邏輯閘的物理實現。 第三章：組合邏輯電路 講解如何將基本邏輯閘組合成更複雜的功能單元。詳細介紹編碼器、解碼器、多路選擇器（MUX）和數據分配器（DEMUX）的工作原理。重點剖析加法器（半加器與全加器）的設計，這是理解算術邏輯單元（ALU）的關鍵，並以範例展示如何構建一個完整的四位元加法器電路。 第四章：順序邏輯電路 介紹涉及記憶功能的電路單元。區分組合邏輯與順序邏輯的根本差異，即對時鐘信號和狀態的反饋。詳盡解釋觸發器（Latch和Flip-Flop，如SR, JK, D型），它們是構成電腦記憶體單元的基礎。接著，探討寄存器（Register）的構造及其在CPU內部的數據暫存作用，以及計數器（Counter）的設計與應用，例如程序計數器（Program Counter, PC）。 第五章：CPU核心結構與資料通路 本章是硬體部分的精華。介紹中央處理單元（CPU）的經典結構，包括控制單元（Control Unit, CU）、算術邏輯單元（ALU）和暫存器組。詳細描繪數據在這些單元之間移動的路徑——數據通路。探討指令週期（取指、解碼、執行、寫回）的完整流程，並用圖示說明指令如何一步步被處理。 第二部分：記憶體層次結構與系統管理 本部分探討數據如何在不同速度和容量的儲存媒介之間流轉，以及作業系統如何管理這些資源。 第六章：記憶體技術與階層 解釋電腦記憶體並非單一實體，而是一個複雜的階層體系。從最快、最小的暫存器（屬於CPU）開始，逐步介紹高速緩存（Cache，分為L1, L2, L3，並詳細探討快取映射、寫入策略和命中率問題），主記憶體（RAM，包括SRAM與DRAM的區別與應用），以及輔助儲存（SSD和HDD）。強調記憶體階層設計的根本目的：平衡速度、容量與成本。 第七章：匯流排與I/O系統 分析匯流排（Bus）作為系統內數據高速公路的角色。詳述地址匯流排、數據匯流排和控制匯流排的功能與協作。介紹輸入/輸出（I/O）系統，探討周邊設備（如鍵盤、顯示器）如何與CPU進行數據交換。重點講解中斷機制（Interrupts）在處理異步事件中的重要性，以及直接記憶體存取（DMA）如何允許周邊設備繞過CPU直接存取記憶體，從而提高效率。 第八章：作業系統核心概念 從使用者層面轉向管理層面。介紹作業系統（OS）作為硬體與應用軟體之間接口的角色。討論行程（Process）與執行緒（Thread）的概念，它們是如何被OS排程執行的。深入探討記憶體管理技術，包括分頁（Paging）和分段（Segmentation），以及虛擬記憶體的工作原理，解釋系統如何模擬出比實際物理記憶體更大的可用空間。 第九章：檔案系統與儲存管理 闡釋作業系統如何組織和管理持久性數據。介紹檔案（File）的概念、目錄結構（如樹狀結構）及其在不同作業系統中的實現差異。深入探討磁碟存取原理，以及檔案系統（如FAT, NTFS, ext4）如何進行數據的分配、尋址和保護，確保數據的完整性與安全性。 第三部分：指令集、編譯與軟體層 本部分連接硬體操作碼與高級語言程式碼，解釋軟體如何被翻譯和執行。 第十章：指令集架構（ISA） 介紹指令集架構作為CPU與組合語言之間的契約。區分CISC（複雜指令集計算）和RISC（精簡指令集計算）的設計哲學與優缺點。詳細分析指令的格式、尋址模式（Addressing Modes），以及各種基本指令（數據傳輸、算術邏輯、控制轉移）如何對應到CPU的具體操作。 第十一章：編譯器與組譯器 講解高級程式語言（如C++, Python）代碼如何轉化為機器可執行的二進制代碼。詳細剖析編譯過程的階段：預處理、編譯、優化和連結。重點解釋組譯器如何將助記符（Assembly mnemonics）轉換為實際的機器碼（Operation Codes）。透過一個簡單的高級語言函數，展示其在記憶體中如何被分解為一系列底層指令。 第十二章：編程模型與應用接口 探討程式設計師在編寫高效代碼時必須考慮的底層因素，例如暫存器使用效率和記憶體對齊。介紹系統呼叫（System Calls）的概念，這是應用程式請求OS服務的唯一途徑。闡述標準庫和API的作用，它們如何提供一個抽象層，屏蔽底層硬體複雜性，使開發人員能專注於業務邏輯。 結論：現代系統的融合 總結電腦系統的各個層次是如何有機地結合在一起，從電子訊號到複雜的網際網路應用，每一個環節都建立在前面基礎之上。展望未來趨勢，如多核心架構、量子計算的基礎概念，以及對能效比的持續追求，引導讀者對未來計算技術發展方向的思考。 本書的設計理念是「所見即所得」，通過大量的視覺化元素，將抽象的電腦科學概念轉化為讀者可視、可理解的知識結構，實現真正的「圖解」學習體驗。