計算機結構：計量方法 5/e pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 計算機結構
• 計算機體係結構
• 計量方法
• 性能評估
• 處理器設計
• 存儲係統
• 並行計算
• 流水綫
• 緩存
• 指令集架構

深度解析：現代計算係統的基石與未來 本書聚焦於計算科學與工程領域中至關重要的底層理論與實踐應用，旨在為讀者構建一個全麵、深入且與時俱進的計算機係統認知框架。我們不再滿足於錶層的軟件交互，而是深入到矽片之上、邏輯門之內的核心機製。 第一部分：計算的根基——從物理到邏輯的轉換 本部分旨在為讀者夯實理解復雜係統的基礎。我們首先審視信息論的本質，探討信息如何在物理世界中被編碼、傳輸與存儲，並引入布爾代數與組閤邏輯電路的設計原理。 1. 信息與錶示的數學基礎： 深入探討信息熵的概念，理解數據壓縮的理論極限。詳述定點與浮點數錶示法（IEEE 754標準）的細節、精度損失的來源及其在算法實現中的影響。重點分析字符編碼係統（如ASCII到Unicode的演進）如何支撐全球化軟件的運行。 2. 邏輯門陣列與組閤電路： 從最基本的晶體管（MOSFET）工作原理齣發，剖析其作為開關的基本功能。係統地介紹與、或、非、異或等基本邏輯門，並逐步過渡到更復雜的組閤邏輯單元，如譯碼器、多路復用器和加法器。讀者將掌握使用卡諾圖（Karnaugh Maps）和布爾代數簡化錶達式，以及利用門陣列實現特定邏輯功能的方法。 3. 時序邏輯與狀態存儲： 本章闡述係統如何“記憶”信息。詳細講解觸發器（Latches與Flip-Flops，如SR, D, JK, T型）的工作機製及其在時鍾同步係統中的作用。在此基礎上，構建寄存器、移位寄存器和有限狀態機（FSM）。通過設計一個簡單的計數器和序列檢測器實例，展示時序邏輯在控製單元設計中的核心地位。 第二部分：指令集架構（ISA）的藝術與工程 指令集架構是硬件與軟件的契約。本部分將拆解這一契約的各個組成部分，揭示處理器如何解釋和執行程序。 4. ISA設計哲學與分類： 對比精簡指令集計算（RISC）和復雜指令集計算（CISC）的設計思想、優缺點及其在當代處理器中的融閤趨勢。深入分析操作碼（Opcode）的設計、尋址模式的豐富性（立即數、寄存器、直接/間接存儲器尋址）如何影響編譯器優化的空間。 5. 匯編語言與數據通路基礎： 通過MIPS或類RISC架構（如RISC-V的子集）的視角，詳細解析常用指令集：算術邏輯指令、數據傳輸指令、控製流指令（分支與跳轉）。在此基礎上，構建一個簡化的單周期數據通路圖，展示指令從取指到寫迴的完整流程。重點討論程序計數器（PC）的更新機製。 6. 堆棧、函數調用與過程間控製流： 詳細剖析調用約定（Calling Conventions）在不同操作係統和架構下的實現細節。討論函數參數的傳遞、局部變量的存儲、返迴地址的管理，以及如何使用堆棧幀（Stack Frame）來實現安全的函數調用和遞歸。分析`call`和`return`指令的底層操作。 第三部分：實現高性能——流水綫、存儲器層次結構與I/O 現代計算係統的速度瓶頸往往不在於時鍾頻率本身，而在於如何有效管理指令的執行流和數據的訪問延遲。本部分將聚焦於性能優化的核心技術。 7. 指令級並行性與流水綫技術： 係統介紹五級（或更多級）經典流水綫（取指、譯碼、執行、訪存、寫迴）的結構與操作。深入分析流水綫中的三大挑戰：數據冒險（Data Hazards）、控製冒險（Control Hazards，即分支預測失敗）和結構冒險（Structural Hazards）。詳細講解轉發/旁路（Forwarding/Bypassing）機製和分支預測器的原理，闡述它們如何提高指令吞吐量（IPC）。 8. 存儲器層次結構的優化： 解釋為什麼需要多級存儲器係統（寄存器、L1/L2/L3緩存、主存、輔助存儲）。重點剖析高速緩存的工作原理：映射策略（直接映射、組相聯、全相聯）、塊置換算法（如LRU的近似實現）以及寫操作策略（寫直達、寫迴）。通過計算命中率和平均訪問時間，量化緩存性能的影響。 9. 虛擬內存與地址翻譯機製： 闡述虛擬地址到物理地址的轉換過程，這是操作係統與硬件協同的關鍵。深入分析頁錶（Page Tables）的結構，以及如何使用轉換後援緩衝器（TLB）來加速地址查找。討論缺頁（Page Fault）的處理流程及其對程序執行的影響。 10. 並行處理與多核架構概述： 初步介紹現代多核處理器中的數據級並行性（SIMD）和綫程級並行性。簡要概述共享內存模型（UMA/NUMA）的基本概念，以及數據一緻性（Cache Coherence）在多核環境中的重要性。 第四部分：可靠性、測試與未來趨勢 11. 錯誤檢測與糾正： 探討係統在物理層麵的不可靠性。講解奇偶校驗碼（Parity Check）的基本應用，並深入介紹更強大的漢明碼（Hamming Codes）的編碼與糾錯過程。分析係統如何通過冗餘設計來提高計算的可靠性。 12. 性能評估的科學方法： 區彆於理論性能分析，本章強調實際的係統性能度量。介紹基準測試（Benchmarking）的科學性，如SPEC Suites的應用。講解如何使用性能計數器（Performance Counters）來收集關鍵指標（如CPI、IPC、緩存未命中率），並指導讀者如何根據測量結果進行針對性的係統優化。 本書的目標是培養齣能夠從硬件層麵理解軟件效率的下一代工程師和研究人員，為他們未來在高性能計算、嵌入式係統設計或高級編譯器優化等領域的發展奠定堅實的基礎。

Chapter 1 計量設計與分析的基礎
Chapter 2 記憶體層級的設計
Chapter 3 指令階層平行化及其開發
Chapter 4 嚮量、SIMD 與 GPU 結構當中的資料階層平行化
Chapter 5 執行緒階層平行化
Chapter 6 開發需求階層與資料階層平行化的數位倉儲型電腦

Appendix A 指令集原理
Appendix B 記憶體層級的迴顧
Appendix C 管綫化：基本與進階的觀念

本書序言

　　．新版本的第 1 章份量加重，包括瞭有關能量、靜態功率、動態功率、積體電路成本、可靠性以及可用性的公式。

　　．第 2 章討論瞭 10 種先進的快取記憶體最佳化。第 2 章包括新的一節討論虛擬機，在防護、軟體管理及硬體管理方麵可以提供好處，也在雲端運算方麵扮演重要的角色。除瞭涵蓋 SRAM 和 DRAM 的技術之外，本章也包括瞭討論快閃記憶體的新教材。PIAT 範例是使用在 PMD 的 ARM Cortex A8 以及使用在伺服器的Intel Core i7。

　　．第 3 章涵蓋瞭指令階層平行化在高效能處理器上的運用，包括超純量執行、分支預測、推測機製、動態排程以及多執行緒。第 3 章也衡量瞭ILP 的限製。就像第 2章，PIAT 範例同樣是 ARM Cortex A8 和 Intel Core i7。

　　．第 4 章從介紹嚮量結構開始，作為建立多媒體SIMD 指令集擴充版和 GPU 之說明的基礎。有關 GPU 的章節是本書最難撰寫的，因為它得多次反覆說明纔能得到精確又容易瞭解的描述。本章介紹屋頂綫效能模型並使用它來比較 Intel Core i7 和 NVIDIA GTX-280 與 GTX-480 GPU。本章也描述瞭 PMD 所用的 Tegra 2 GPU。

　　．第 5 章描述多核心處理器，探討對稱式與分散式記憶體結構，檢視其組織原則與效能；接下去便是同步化與記憶體一緻性模型方麵的課題。

　　．第 6 章描述計算機結構中的最新課題──數位倉儲型電腦 (warehouse-scale computer, WSC)。依靠 Amazon 網路服務和 Google 工程師的協助，本章整閤瞭結構工程師鮮少察覺到的 WSC 之設計、成本與效能的細節。本章在說明 WSC 的結構與實體製作之前 (包括成本)，先從流行的MapReduce 程 式計模型開始。成本讓我們得以解釋雲端運算的興起，藉此可以比較便宜地在雲端使用 WSC 作計算，勝過在您的區域資料中心作計算。

评分☆☆☆☆☆

這本《計算機結構：計量方法 5/e》絕對是我近期讀過最令人印象深刻的技術書籍之一。它提供的資訊量非常龐大，但更重要的是，它以一種非常有條理、循序漸進的方式將這些複雜的概念呈現齣來。書中對於各個計算機組件的協同運作，從底層的邏輯閘到高層的處理器架構，都有相當深入的探討。我特別讚賞它在「計量方法」這個部分的紮實度，作者不僅解釋瞭各種效能指標的定義，更重要的是，他提供瞭實際的分析工具和方法，讓讀者能夠親手去驗證和量化這些效能。這對於我這樣一個喜歡動手實踐的人來說，非常有吸引力。我現在對於如何評估不同指令集架構（ISA）的優勢，如何理解和優化多處理器係統的併發效能，以及如何分析和解決記憶體層級的瓶頸問題，都有瞭全新的認識。這本書不僅僅是一本關於計算機結構的入門讀物，更是一本能夠引導你深入思考並實際應用效能分析方法的寶典。

评分☆☆☆☆☆

我一直都對電腦的「內在美」充滿好奇，但過去接觸到的資料，總覺得有點「乾巴巴」，像是在背誦公式。直到我翻開瞭這本《計算機結構：計量方法 5/e》，纔發現原來學習電腦硬體也可以這麼有趣！作者很厲害，他把很多枯燥的技術概念，用很生活化的比喻和生動的圖示來解釋，例如在講指令集架構（ISA）時，他會把它比喻成不同語言之間的翻譯，讓你能立刻理解為什麼要設計齣不同的指令集，以及它們各自的優缺點。最讓我印象深刻的是，書裡花瞭很大的篇幅在講「效能」這個主題，而且是用「計量」的方式來呈現，這讓我不僅知道「是什麼」，更知道「為什麼」以及「如何做到更好」。例如，當我看到關於記憶體存取延遲的分析時，我終於明白為什麼有時候明明CPU速度很快，但整體程式執行起來卻還是卡卡的，原來是記憶體這個環節拖瞭慢瞭速度。這本書真的讓我對電腦的運作有瞭一種「由外而內」的透徹理解，就像是解開瞭一個巨大的謎團，感到非常滿足。

评分☆☆☆☆☆

這本《計算機結構：計量方法 5/e》真的是打開瞭我對硬體世界的新視野，我之前都覺得電腦內部結構就是個黑盒子，隻知道怎麼用，但從來沒想過裡麵到底是怎麼運作的。讀瞭這本書，簡直像個魔法師破解瞭咒語一樣！書裡麵用瞭很多圖錶和例子，把原本很抽象的概念都講得超清楚。像是那個處理器流水線的部分，我以前聽過但一直霧裡看花，看完這本書，我終於懂瞭為什麼同一時間會有這麼多指令在跑，而且也理解瞭為什麼程式寫得好不好會影響到電腦的速度。最讓我驚喜的是，它不隻講理論，還會教你怎麼去「量化」這些東西，也就是說，你可以用數字來評估哪些設計比較有效率，哪些地方有瓶頸。這對於想更深入瞭解效能調校，或是對嵌入式係統有興趣的人來說，根本就是寶藏！我甚至開始想，以後如果要自己組裝電腦，或者考慮買哪種CPU，都會有更科學的依據瞭。這本書的內容豐富到我每次翻開都覺得有新發現，而且它的圖解真的太神瞭，把複雜的電路圖和資料流都畫得一目瞭然，真的大大降低瞭學習門檻。

评分☆☆☆☆☆

身為一個在科技業打滾多年的工程師，我一直覺得要跟上時代的腳步，就不能停留在錶麵。這本《計算機結構：計量方法 5/e》對我來說，就像是在堆疊知識的塔尖上，又添上瞭一塊關鍵的基石。書中對於現代計算機架構的深入剖析，尤其是針對效能分析和優化的方法論，提供瞭非常紮實的理論基礎。我尤其欣賞它對於快取記憶體（Cache）層級、分支預測、以及多核心處理器之間的協同運作的詳盡闡述。作者並沒有迴避那些複雜的數學模型和計量學原理，反而將它們巧妙地融入到實際的案例分析中，讓我能夠理解為什麼某些架構上的決策會對整體係統效能產生如此巨大的影響。這本書的價值不僅在於它傳授知識，更在於它啟發瞭我用一種更具分析性和量化思維的方式去審視現有的計算機係統。過去我可能隻能憑經驗和直覺來判斷問題，但現在，我可以更有係統地找齣效能瓶頸，並提齣有數據支持的解決方案。這對於我在工作上進行效能調校和係統設計時，提供瞭極大的助益。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始看到這本書的書名，我以為會是一本很學術、很難懂的教科書。但實際翻開之後，纔發現它比我想像的要親切許多。作者在架構的設計原理部分，處理得相當到位，尤其是針對現代處理器的一些關鍵技術，例如超純量（Superscalar）執行、亂序執行（Out-of-Order Execution）等，都做瞭很細緻的講解。讓我印象深刻的是，書中非常強調「量化」的重要性，這意味著我們不單單是瞭解技術的原理，更重要的是能夠透過各種指標來評估其效能，並做齣優化的決策。例如，它會教你如何去測量和分析記憶體頻寬、指令週期時間、以及快取命中率（Cache Hit Rate）等等，這些數據對於我們在做係統選擇或效能調校時，都有非常直接的參考價值。我覺得這本書對於想要更深入理解計算機係統「如何做到更好」的讀者來說，是一本不可多得的參考書。它的理論深度足夠，但又不會讓你覺得離實際應用太遠，找到瞭一個很棒的平衡點。