計算機組織與結構 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 計算機組成原理
• 計算機體係結構
• 數字邏輯
• 匯編語言
• 計算機硬件
• 存儲係統
• CPU
• 流水綫
• Cache
• 指令集

　　本書涵蓋計算機結構中所有核心主題，每一主題基礎理論與實際設計並重，且將計算機結構與其他計算機係統設計領域之聯係，闡述得淋灕盡緻！精選的章尾習題更有助於讀者深入瞭解所涵蓋的內容。本書內容包含七大部份：背景與緣起、指令集架構、算數∕邏輯單元、資料路徑與控製、記憶體係統設計、輸入/輸齣與介麵及進階架構，涵蓋瞭計算機結構中所有的核心主題，提供讀者對此領域一個平衡且完備的觀點。本書適用於大學、科大電子、資工係「計算機組織」、「計算機結構」之課程。

本書特色

1 . 涵蓋計算機結構中所有核心主題，每一主題基礎理論與實際設計並重。
2 . 將計算機結構與其他計算機係統設計領域之聯係，闡述得淋灕盡緻。
3 . 每章的內容均設計為具有承先啓後功能的單元，便於教學。
4 . 精選的章尾習題有助於深入瞭解所涵蓋的內容。
5 . 全書中所用的符號錶示與專業術語均保持一緻。

好的，這是一份關於一本名為《數字邏輯設計與EDA實踐》的圖書簡介，旨在詳細介紹其內容，同時確保不提及《計算機組織與結構》中的任何知識點，並且內容自然流暢，符閤專業書籍的風格。 《數字邏輯設計與EDA實踐》 內容簡介 本書聚焦於現代數字係統的核心——數字邏輯設計，並深入結閤當前主流的電子設計自動化（EDA）工具進行實踐教學。本書旨在為讀者構建一座從底層邏輯理論到復雜係統實現的橋梁，不僅教授如何理解和設計基本的布爾邏輯電路，更強調如何利用業界標準工具鏈將設計轉化為可驗證、可部署的硬件描述。 全書內容組織嚴謹，層層遞進，覆蓋瞭數字電路設計的基礎原理、硬件描述語言（HDL）的精髓，以及現代ASIC與FPGA設計流程的完整鏈條。 第一部分：數字邏輯基礎與基本單元 本部分是構建後續復雜電路的基礎。我們首先從最基礎的邏輯代數和布爾函數入手，係統梳理瞭組閤邏輯電路和時序邏輯電路的基本概念與分析方法。 組閤邏輯電路： 詳細介紹瞭各種門電路（如AND、OR、NAND、NOR、XOR）的特性及其在實際應用中的注意事項。重點講解瞭卡諾圖（Karnaugh Map）的化簡方法、多變量函數的最小項和最大項錶示，以及使用Quine-McCluskey算法進行係統化化簡的步驟。針對實際應用，深入分析瞭譯碼器、編碼器、數據選擇器（MUX）和數據分配器（DEMUX）的原理與應用場景，特彆是在數據路由和選擇控製中的作用。此外，半加器、全加器、串行加法器和並行加法器的設計，為算術邏輯單元（ALU）的構建奠定瞭基礎。 時序邏輯電路： 引入瞭存儲元件的概念，從基本的鎖存器（Latch）齣發，過渡到更穩定的觸發器（Flip-Flop），包括SR、D、JK和T型觸發器。深入剖析瞭它們的時序特性，如建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）。在此基礎上，詳細闡述瞭寄存器組、數據鎖存和多路復用器在數據暫存中的應用。隨後，本書轉嚮序列電路的設計，係統介紹瞭同步和異步時序係統的建模、狀態圖和狀態錶的繪製，以及如何利用狀態最小化技術優化有限狀態機（FSM）。摩爾（Mealy）型和米利（Moore）型FSM的設計實例貫穿始終，確保讀者能夠熟練處理狀態機的復雜控製邏輯。 第二部分：硬件描述語言（HDL）與行為建模 隨著係統復雜度的提升，直接使用邏輯門級電路進行設計變得不切實際。本部分引入瞭硬件描述語言，作為描述硬件結構和行為的強大工具。本書以VHDL和Verilog HDL（重點講解Verilog）為載體，教授如何用高級抽象的語言描述硬件。 Verilog HDL核心： 從語法結構開始，詳細講解瞭模塊定義、端口連接、數據類型（如`reg`和`wire`的區彆）、運算符優先級。重點區分瞭組閤邏輯和時序邏輯在HDL中的建模差異，強調使用`always`塊和`assign`語句的不同適用場景。對於組閤邏輯，要求使用賦值語句描述即可實現綜閤優化；對於時序邏輯，則必須使用同步時鍾邊沿觸發的描述方式。 結構級與行為級建模： 結構級描述側重於實例化和連接已有的邏輯單元（如門級或子模塊），展示瞭如何搭建模塊化的層次化設計。行為級建模則側重於算法的描述，通過流程控製語句（如`if-else`、`case`）來描述電路的功能，這是實現高速、復雜算法的關鍵。本書提供瞭大量的代碼示例，演示如何將數學公式或算法邏輯直接轉換為等效的硬件結構。 高級特性與時序控製： 深入探討瞭Verilog的並發結構和過程塊，特彆是如何精確控製信號的延遲和係統時序。重點講解瞭如何利用`fork/join`進行並行仿真，以及如何使用`initial`塊設置仿真初始條件。 第三部分：數字係統實現與EDA流程 本部分是連接設計與物理實現的關鍵，詳細介紹瞭現代數字芯片設計（針對FPGA和ASIC）的完整流程，並以主流EDA工具鏈（如Xilinx Vivado或Intel Quartus Prime）的使用方法為主綫。 綜閤（Synthesis）： 解釋瞭綜閤的本質——將抽象的HDL代碼轉換為邏輯門級網錶的過程。詳細講解瞭設計約束（Constraints）的重要性，如時鍾定義、I/O延遲等，以及這些約束如何指導綜閤工具優化設計，以滿足性能指標。 映射與布局布綫（Place & Route）： 深入分析瞭物理實現階段。布局（Placement）是將邏輯單元映射到目標器件的物理資源上，布綫（Routing）則是連接這些單元的邏輯路徑。本章強調瞭時序收斂（Timing Closure）在布局布綫中的核心地位，並解釋瞭靜態時序分析（STA）報告的解讀方法，如何識彆和修復建立時間違例（Setup Violation）和保持時間違例（Hold Violation）。 仿真與驗證： 驗證是數字設計中耗時最長的部分。本書強調瞭功能驗證的重要性，介紹瞭基於波形觀察（如GTKWave）和基於測試平颱（Testbench）的激勵生成方法。詳細闡述瞭如何編寫結構化的測試平颱，實現自動化的激勵輸入和結果比對，確保設計在所有預定工作條件下均能正確運行。 FPGA特定設計考量： 針對現場可編程門陣列（FPGA）的特點，本書專門開闢章節講解如何高效利用片上資源，如鎖相環（PLL/MMCM）的時鍾管理、高速收發器（Transceiver）的初始化配置，以及如何設計高效的分布式RAM和塊RAM（BRAM）。 第四部分：核心模塊設計實例 本部分通過具體的、工業界常見的復雜模塊設計，鞏固前三部分學到的知識。 數據通路與控製單元分離設計： 以一個簡化的流水綫處理器的數據通路（包括寄存器堆、ALU接口）和控製邏輯（FSM驅動）為例，展示瞭如何清晰地分離數據處理部分和控製時序部分，這是設計高效數字係統的關鍵原則。 高性能運算模塊： 涵蓋瞭循環移位寄存器（Barrel Shifter）的結構設計、乘法器（如Booth算法的硬件實現）的流水綫優化，以及快速傅裏葉變換（FFT）的蝶形運算單元（Butterfly Unit）的HDL描述與優化。 片上通信接口基礎： 介紹瞭常用的同步串行通信協議，如SPI和I2C的控製器設計，包括狀態機的實現和時序控製，使讀者能夠設計齣用於與外部傳感器或存儲器交互的邏輯模塊。 本書的特點在於理論與實踐的緊密結閤，所有重要的設計概念都配有詳盡的EDA工具操作指導和實際代碼案例，確保讀者不僅理解“是什麼”，更能掌握“如何做”，從而具備獨立進行復雜數字係統設計和驗證的能力。

PART 1 背景與緣起
1.   組閤數位電路 3
1.1　訊號、邏輯操作、邏輯閘 3
1.2　布林函數及運算式 6
1.3　設計邏輯閘電路係統 8
1.4　有用的組閤部件 11
1.5　可程式化的組閤部件 13
1.6　時間與電路考量 15
習　題 17
參考書目與進階讀物 20
2. 擁有記憶能力的數位電路 21
2.1　閂鎖、正反器、暫存器 21
2.2　有限狀態機 23
2.3　設計序嚮電路 25
2.4　有用的序嚮部件 27
2.5　可程式化的序嚮部件 30
2.6　事件的時脈與時間 31
習　題 33
參考書目與進階讀物 36
3. 計算機係統技術 37
3.1　從組件到應用 38
3.2　計算機係統與其部件 40
3.3　世代的進展 43
3.4　處理器與記憶體技術 47
3.5　周邊、I/O、通訊 49
3.6　軟體係統與應用程式 52
習　題 53
參考書目與進階讀物 55
4. 計算機效能 57
4.1　成本、效能、與成本∕效能 57
4.2　定義計算機效能 60
4.3　效能增益與Amdahl定律 63
4.4　效能度量vs效能模型 65
4.5　計算機效能報告 70
4.6　更高效能的探索 72
習　題 74
參考書目與進階讀物 77

PART 2 指令集架構
5. 指令與定址 81
5.1　硬體的抽象觀點 81
5.2　指令格式 84
5.3　簡單的算數與邏輯指令 87
5.4?載入與儲存指令 88
5.5　跳躍與分支指令 90
5.6　定址模式 94
習　題 97
參考書目與進階讀物 99
6. 程序與資料 101
6.1　簡單的程序呼叫 101
6.2　使用堆疊來儲存資料 104
6.3　參數與運算結果 106
6.4　資料型彆 108
6.5　陣列與指標 111
6.6　其他的指令 115
習　題 119
參考書目與進階讀物 121
7. 組閤語言程式 123
7.1　機器與組閤語言 123
7.2　組譯器命令 125
7.3　假指令 128
7.4　巨集指令 130
7.5　連結與載入 132
7.6　執行組譯器程式 133
習　題 136
參考書目與進階讀物 138
8. 指令集的各種樣貌 139
8.1　復雜指令 140
8.2　其他的定址模式 141
8.3　指令格式的各種型態 145
8.4　指令集設計與演進 146
8.5　RISC/CISC的分野 148
8.6 界綫要畫在哪 150
習　題 153
參考書目與進階讀物 155

PART 3 算數∕邏輯單元
9. 數字錶示法 159
9.1　進位係統 159
9.2　數字集閤與編碼 162
9.3　數字進位轉換 165
9.4　有號整數 166
9.5　定點數 169
9.6　浮點數 171
習　題 173
參考書目與進階讀物 176
10. 加法器與簡單的ALU 177
10.1　簡單的加法器 177
10.2　進位傳遞網路 179
10.3　計數與遞增 182
10.4　設計快速的加法器 183
10.5　邏輯與位移操作 186
10.6　多功能的ALU 189
習　題 191
參考書目與進階讀物 194
11. 乘法器與除法器 195
11.1　位移-加法乘法 196
11.2　硬體乘法器 199
11.3　用程式撰寫乘法 201
11.4　位移-減法除法 204
11.5　硬體除法器 207
11.6　用程式撰寫除法 210
習　題 212
參考書目與進階讀物 215
12. 浮點數算數 217
12.1　捨入模式 217
12.2　特殊值與例外 221
12.3　浮點數加法 224
12.4　其他的浮點數操作 226
12.5　浮點數指令 227
12.6　運算結果的精確度與誤差 231
習　題 234
參考書目與進階讀物 237

PART 4 資料路徑與控製
13. 指令執行步驟 241
13.1　一個小型的指令集閤 242
13.2　指令執行單元 244
13.3　單週期的資料路徑 245
13.4　分支與跳躍 247
13.5　産生控製訊號 247
13.6　單週期設計的效能 250
習　題 252
參考書目與進階讀物 254
14. 控製單元構成 255
14.1　多週期的實作 256
14.2　時脈週期與控製訊號 258
14.3　控製狀態機 260
14.4　多週期設計的效能 262
14.5　微程式設計 264
14.6　例外處理 267
習　題 269
參考書目與進階讀物 271
15. 管綫化的資料路徑 273
15.1　管綫化的概念 274
15.2　管綫推遲或氣泡 276
15.3　管綫時脈與效能 279
15.4　管綫化資料路徑設計 282
15.5　管綫化控製 284
15.6　最佳化管綫 285
習　題 288
參考書目與進階讀物 290
16. 管綫效能的限製 291
16.1　資料相依與危障 291
16.2　資料轉送 294
16.3　管綫分支危障 296
16.4　分支預測 297
16.5　進階管綫化 299
16.6　管綫中的例外 302
習　題 303
參考書目與進階讀物 306

PART 5 記憶體係統設計
17 主記憶體的概念 309
17.1　記憶體結構與SRAM 309
17.2　DRAM與更新週期 312
17.3　記憶體屏障 315
17.4　管綫化與交錯式記憶體 317
17.5　非揮發性記憶體 319
17.6　記憶體階層的需求 320
習　題 323
參考書目與進階讀物 325
18. 快取記憶體的組織 327
18.1　快取的需求 327
18.2　是什麼讓快取運作？ 330
18.3　直接映射的快取 332
18.4　集閤關連式快取 334
18.5　快取與主記憶體 336
18.6　改善快取效能 338
習　題 340
參考書目與進階讀物 343
19. 巨量記憶體的概念 345
19.1?磁碟記憶體的基礎概念 346
19.2　磁碟上的資料組織 348
19.3　磁碟效能 351
19.4　磁碟快取 352
19.5　磁碟陣列與RAID 353
19.6　其他種類的巨量記憶體 357
習　題 359
參考書目與進階讀物 362
20. 虛擬記憶體與分頁 363
20.1　虛擬記憶體的需求 364
20.2　虛擬記憶體中的位址轉譯 365
20.3　轉譯備用緩衝區 368
20.4　分頁置換策略 371
20.5　主記憶體與巨量記憶體 374
20.6　改善虛擬記憶體效能 375
習　題 378
參考書目與進階讀物 380

PART 6 輸入/輸齣與介麵
21. 輸入/輸齣裝置 383
21.1　輸入/輸齣裝置及其控製器 383
21.2　鍵盤與滑鼠 385
21.3　視覺顯示單元 387
21.4　硬復製輸入/輸齣裝置 390
21.5　其他輸入/輸齣裝置 394
21.6　輸入/輸齣裝置的網路 396
習　題 398
參考書目與進階讀物 401
22. 輸入/輸齣規劃 403
22.1　I/O效能與評估標準 403
22.2　輸入/輸齣的定址 405
22.3　排程式的I/O：輪詢機製 408
22.4　需求導嚮式的I/O：中斷機製 409
22.5　I/O資料傳輸與DMA 410
22.6　提升I/O的效能 413
習　題 417
參考書目與進階讀物 420
23. 匯流排、連結、介麵 423
23.1　係統內與係統間連結 423
23.2　匯流排與其吸引力 427
23.3　匯流排通訊協定 429
23.4　匯流排仲裁與效能 431
23.5　介麵連接的基礎概念 434
23.6　介麵連接標準 435
習　題 438
參考書目與進階讀物 441
24. 工作區切換與中斷 443
24.1　進行I/O的係統呼叫 443
24.2　中斷、例外、與陷阱 445
24.3　簡單的中斷處理 447
24.4　巢狀中斷 450
24.5　工作區切換的種類 451
24.6　執行緒與多緒執行 454
習　題 455
參考書目與進階讀物 457

PART 7 進階架構
25. 邁嚮高效能之路 461
25.1　過往與現今的效能趨勢 461
25.2　效能導嚮的ISA擴充 464
25.3　指令層級的平行化 467
25.4　測度與數值預測 470
25.5　特殊用途硬體加速器 473
25.6　嚮量、陣列與平行處理 475
習　題 478
參考書目與進階讀物 481
26. 嚮量與陣列處理 483
26.1　嚮量上的操作 484
26.2　嚮量處理器實作 486
26.3　嚮量處理器的效能 490
26.4　共用控製係統 492
26.5　陣列處理器實作 493
26.6　陣列處理器效能 495
習　題 496
參考書目與進階讀物 499
27. 共用記憶體多重處理 501
27.1　集中式共用記憶體 501
27.2　多重快取與快取統一性 505
27.3　實作對稱式多處理器 507
27.4　分散式共用記憶體 510
27.5　指引資料存取的目錄 512
27.6　實作非對稱式多處理器 514
習　題 516
參考書目與進階讀物 519
28. 分散式多重運算 521
28.1　透過訊息傳遞的通訊 521
28.2　互連網路 525
28.3　訊息構成與繞送 527
28.4　建造並使用多重計算機 530
28.5　以網路為基礎的分散式運算 532
28.6　網格運算與前景 534
習　題 536
參考書目與進階讀物 539

评分☆☆☆☆☆

不得不說，這本《電腦組織與結構》真的是我近年來讀過最紮實、也最讓我獲益匪淺的技術書籍之一。我本身是做硬體測試的，平常接觸的都是各種零件的規格和效能數據，但對於這些零組件是如何協同工作、如何構成一個完整係統，總是有種隔閡感。這本書填補瞭我知識上的這個大洞。它從最底層的電路設計開始，逐步深入到中央處理器、記憶體、輸入輸齣設備的組織架構。書中那些圖示和流程圖，畫得非常清晰，即使是對於像我這樣非資訊工程本科的讀者，也能快速掌握核心概念。例如，書中關於匯流排的講解，讓我明白瞭不同硬體之間是如何傳遞資料的，以及為什麼資料傳輸的速度會受到匯流排寬度和頻寬的限製。還有那關於作業係統如何管理硬體資源的章節，更是讓我恍然大悟，原來我們日常使用的各種軟體，背後都需要這麼複雜的機製來協調。最令我印象深刻的是，作者在介紹不同架構（像是RISC和CISC）時，不僅列齣瞭它們的技術特點，還深入分析瞭它們在實際應用中的優缺點，這讓我對未來的硬體發展有瞭更宏觀的認識。

评分☆☆☆☆☆

老實說，我對這本《電腦組織與結構》的評價，簡直是讚不絕口！這本書的深度和廣度都令人驚嘆，它不僅涵蓋瞭電腦硬體的基本組成，更觸及瞭許多先進的概念。我原本以為這類書籍會很枯燥，但作者的寫作風格卻充滿瞭邏輯性和條理性，讓我讀起來一點都不會感到疲憊。我特別喜歡書中對於不同類型的電腦架構的比較分析，像是那個關於嚮量處理器和標量處理器的對比，讓我對不同計算模式的優勢和劣勢有瞭清晰的認識。還有，書中對於數位邏輯設計的講解，從基本邏輯閘到複雜的組閤電路、時序電路，都講得非常細緻，這讓我對電腦的運算核心有瞭更深層次的理解。另外，讓我印象深刻的還有關於程式編譯和連結的章節，它詳細闡述瞭原始碼如何一步步轉變成可執行檔，以及在記憶體中是如何被載入和執行的，這對於理解程式的運行機製非常有幫助。總之，這本書不僅適閤電腦科學的學生，也適閤任何想要深入瞭解電腦內部運作的專業人士，絕對是一本值得放在書架上的必備參考書。

评分☆☆☆☆☆

這本《電腦組織與結構》絕對是那種「一次讀懂，終身受益」的經典之作。我從事軟體開發多年，但一直以來，對底層架構的理解都有些模糊。總覺得自己隻是在堆砌程式碼，而沒有真正掌握電腦的「靈魂」。這本書的齣現，就像及時雨。它讓我明白，為什麼某些演算法在特定硬體上錶現優異，而有些則不然。書中對於指令層麵的講解，讓我理解瞭軟體指令是如何被翻譯成機器語言，又是如何被CPU一步步執行的。尤其是關於虛擬記憶體的討論，我之前一直以為它隻是個「讓程式看起來有更多記憶體」的奇妙功能，但看完這本書，我纔明白它背後涉及瞭分頁、分段、快取等一係列複雜的機製，並且對係統的整體效能有著至關重要的影響。我也學到瞭很多關於輸入輸齣係統的知識，像是中斷、DMA（直接記憶體存取）這些概念，讓我能更深入地理解程式如何與外部設備互動，以及如何優化I/O操作的效率。總之，這本書讓我從一個隻會寫程式碼的「使用者」，變成瞭一個更能理解程式與硬體之間互動的「架構師」。

评分☆☆☆☆☆

哇！這本《電腦組織與結構》真的讓我大開眼界，尤其是在我正苦惱於程式設計瓶頸的時候。以前寫程式，總覺得自己像是個濛著眼走路的工匠，照著前人的圖紙敲敲打打，卻不明白為什麼某些結構能跑得飛快，而另一些卻像烏龜一樣慢吞吞。這本書就像一把火炬，瞬間照亮瞭電腦內部運作的奧秘。從一開始的邏輯閘、布林代數，我就感覺自己像個小偵探，一步步解開電腦最基礎的秘密。看到那些二進位、十六進位的轉換，以前覺得枯燥無味，現在卻成瞭理解電腦思考方式的關鍵。最讓我驚豔的是關於CPU的章節，那深入淺齣的講解，讓我終於明白指令集、暫存器、快取記憶體這些名詞背後的實際運作。以前我隻知道CPU很重要，但不知道它到底有多重要，也不知道它如何像個超級大腦一樣指揮整個電腦係統。現在，我能更清晰地想像齣指令如何在CPU裡被解碼、執行，這個過程真是既精妙又令人讚嘆。甚至連記憶體管理的部分，也從原本讓我頭痛的問題，變成瞭一個我能理解、甚至開始思考如何優化的麵嚮。我真的覺得，這本書不隻是介紹電腦的結構，更是教我如何「讀懂」電腦的語言。

评分☆☆☆☆☆

對於很多剛開始接觸電腦科學的學生來說，《電腦組織與結構》可能聽起來有點讓人卻步，彷彿是學程式設計前必須跨越的一道高牆。但老實說，我強烈推薦所有對電腦運作原理有好奇心的朋友都來翻翻這本書。我記得我第一次拿起它時，確實被那些密密麻麻的術語和圖錶嚇到瞭，但作者的敘述方式非常平易近人，他總是能把非常複雜的概念，用很生活化的比喻來解釋。像是他講到快取記憶體時，就比喻成辦公桌上的常用文件，而主記憶體則是書櫃裡的書籍，這樣一來，快取命中率的概念就變得一目瞭然。書中還探討瞭效能評估的各種指標，像是MIPS、FLOPS等等，以及影響這些指標的因素，這對我這個常常需要比較不同硬體效能的人來說，提供瞭非常有價值的理論基礎。我特別喜歡書中關於指令流水線的章節，作者透過一個生動的例子，讓我理解瞭如何透過並行處理來大幅提升CPU的執行效率，這個概念對我日後學習並行計算和高性能計算打下瞭很好的基礎。這本書的結構安排也很棒，從抽象的邏輯運算，到具體的硬體架構，循序漸進，一點都不會讓人覺得跳躍。