最新計算機概論(第十版) (電子書) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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陳惠貞

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《深入理解計算機係統：從底層到應用的全景解析》 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入的計算機係統知識框架，內容涵蓋瞭從硬件基礎到高級軟件應用的各個層麵。我們不側重於某一特定編程語言或應用領域的介紹，而是緻力於剖析計算機係統運行的底層原理、數據如何在不同層次間流動、以及軟件如何有效地與硬件協同工作。 第一部分：從比特到程序——硬件基礎與數據錶示 本部分將從最基本的層麵——比特和字節——開始，係統地闡述數字邏輯和計算機的結構。我們將詳細介紹二進製、補碼等數字錶示方法，以及它們在現代處理器中的實現。 邏輯門與組閤電路： 深入探討與非門、或非門等基本邏輯單元如何組閤構建齣復雜的算術邏輯單元（ALU）。我們將分析如何利用這些基本元件實現加法器和乘法器等核心運算部件。 處理器架構（ISA）： 重點講解指令集架構（ISA）的設計哲學，包括RISC與CISC的權衡。我們將以一個典型的、簡化的指令集為例，剖析指令的編碼、尋址模式以及程序計數器（PC）的工作流程。理解ISA是理解匯編語言和編譯器設計的前提。 內存層次結構與緩存： 計算機性能的關鍵瓶頸往往在於數據存取速度。本章將細緻剖析內存係統的分層結構——寄存器、L1/L2/L3緩存、主存（DRAM）以及虛擬存儲器。我們將引入局部性原理（時間局部性和空間局部性），並深入解析直接映射、組相聯、全相聯緩存的工作機製、命中與缺失的代價，以及寫迴策略（Write-back vs. Write-through）。 第二部分：程序如何在機器上執行——匯編、鏈接與加載 理解一個高級語言程序如何轉化為可在硬件上執行的機器碼，是掌握係統編程的關鍵。 匯編語言與過程調用： 介紹如何將高級語言的控製流結構（如循環和條件判斷）映射到匯編指令。重點解析函數調用約定（Calling Conventions），包括參數傳遞、棧幀的建立與銷毀、以及返迴地址的保存。我們將通過實例展示棧溢齣攻擊的原理基礎。 目標代碼與可執行文件格式： 深入剖析ELF（Executable and Linkable Format）等標準文件格式的內部結構，包括代碼段（.text）、數據段（.data, .bss）和符號錶。 鏈接器的藝術： 詳細闡述靜態鏈接和動態鏈接的過程。靜態鏈接如何解決符號引用並閤並代碼；動態鏈接器（Loader）如何在程序運行時解析共享庫（.so/.dll）的地址，以及延遲綁定（Lazy Binding）的技術實現。 第三部分：程序與數據——數據流與係統調用 本部分關注程序運行時的數據錶示、存儲布局以及程序與操作係統內核的交互。 數據類型與內存對齊： 討論不同基本數據類型（整數、浮點數）在內存中的精確存儲方式，特彆是IEEE 754浮點標準的細節。強調數據對齊（Alignment）對性能的影響以及編譯器如何處理結構體和聯閤體的內存布局。 係統調用接口（Syscalls）： 闡明用戶模式（User Mode）與內核模式（Kernel Mode）之間的界限。係統調用是程序獲取操作係統服務的唯一途徑。我們將以I/O操作（如`read`, `write`）為例，解析係統調用 Trap 過程的開銷和安全性考量。 進程與並發基礎： 介紹進程的基本概念——資源隔離的單元。探討上下文切換的機製，以及程序如何通過創建新進程來並行執行任務。 第四部分：抽象與隔離——虛擬內存係統 虛擬內存是現代操作係統最精妙的設計之一，它為每個進程提供瞭私有的、連續的地址空間。 分頁機製： 詳細解釋虛擬地址到物理地址的轉換過程，包括頁錶（Page Table）的結構、多級頁錶如何節省空間，以及快錶（TLB, Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻譯中的作用。 內存管理策略： 討論內核如何管理物理內存池，包括內存分配算法和缺頁中斷（Page Fault）的處理流程。分析缺頁中斷發生時，係統如何將數據從磁盤調入內存。 內存共享與保護： 闡述虛擬內存如何天然地提供進程間隔離，以及通過修改頁錶權限位實現代碼段的隻讀保護。 第五部分：性能優化與係統可靠性 本部分著眼於如何利用對底層原理的理解來編寫更高效、更健壯的軟件。 編譯與優化： 探討編譯器在將源代碼轉換為機器碼時所執行的關鍵優化技術，如常量傳播、死代碼消除、循環展開等，以及它們如何影響最終代碼的執行效率。 輸入/輸齣（I/O）係統： 深入分析阻塞式I/O、非阻塞式I/O、以及I/O多路復用（如`select`/`poll`/`epoll`）的工作原理。理解這些機製對於構建高性能網絡服務器至關重要。 並發編程的挑戰： 介紹綫程與進程的區彆。著重分析並發執行中引入的競態條件（Race Conditions）、死鎖（Deadlocks）等問題，並探討使用鎖（Mutexes）、信號量（Semaphores）和原子操作來確保數據一緻性的方法。 本書麵嚮具有一定編程經驗，渴望理解程序“幕後”運行機製的工程師、計算機科學專業學生以及係統架構師。通過對這些核心概念的係統學習，讀者將能夠從根本上提升代碼的性能洞察力和係統的調試能力。