計算機組織與結構：效能設計 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

• 計算機組織
• 計算機體係結構
• 數字邏輯
• 匯編語言
• 性能優化
• 處理器設計
• 存儲係統
• 並行計算
• 流水綫技術
• 緩存機製

自本書第八版發行後，電腦領域持續不斷地創新和精進，因此在第九版已廣泛地涵蓋更多領域，並且探討這四年來的變動。修訂之初已廣泛地採納教授們的意見，讀者將會發現書中有許多敘述已變得更清楚、更加連貫。

　　新版課程涵蓋範圍如下：

　　點對點互連：傳統匯流排 (bus) 逐漸被高速的點對點 (Point-to-Point) 互連策略所取代，新章節將探討該項技術，並且使用 Intel QPI (QuickPath Interconnect) 為範例來進行說明。

　　PCI Express：PCI Express (簡稱PCle) 逐漸變成週邊互連的標準，並且取代 PCI 和其它匯流排基底架構。

　　SSD 固態硬碟和 Flash 快閃記憶體：在許多電腦上，SSD開始取代傳統磁碟式硬碟，新章節將討論這種底層使用Flash快閃記憶體的SSD技術。

　　IEEE 754 浮點標準：更新至2008年所製訂的標準版本。

　　現代大型主機組織：第7、18章將談及IBM在2010年最新引入的zEnterprise 196大型主機。

　　I/O標準：除瞭進行更新外，也將討論新一代高速I/O技術Thunderbolt。

　　多核心結構：適度地擴充多核心相關教材。

　　本書適閤主修電腦科學、電腦工程，和電機工程的大學生，當作一或二學期的教科書，內容符閤IEEE/ACM Computer Curriculum 2008: An Interim Revision to CS2001 核心科目Computer Architecture and Organization所要求的所有主題。另外，此書亦涵蓋IEEE/ACM Computer Engineering Curriculum Guidelines 2004的CE-CAO Computer Architecture and Organization的核心範圍。

計算機係統設計與優化：架構演進與性能瓶頸解析 本書簡介 本書聚焦於現代計算機係統在不同應用場景下的設計哲學、架構演進脈絡以及性能優化的核心技術。我們深入剖析瞭決定係統響應速度、吞吐量和資源利用率的關鍵要素，旨在為係統架構師、資深軟件工程師及計算機科學專業學生提供一套全麵且實用的分析工具箱。 第一部分：計算範式與架構基石 本部分首先迴顧瞭計算機係統的基本構建模塊，但視角聚焦於它們如何服務於特定的計算模型。我們不拘泥於指令集的細節，而是探討不同指令集架構（ISA）對編譯器設計和底層硬件選擇的深遠影響。從經典馮·諾依曼結構到現代超標量、亂序執行處理器的設計哲學轉變，我們將闡明“性能”在不同曆史階段的含義是如何被重新定義的。 1.1 計算模型的演變與抽象層次： 探討從串行到並行計算範式的過渡，重點分析如何通過抽象層次（如虛擬化、操作係統內核設計）來管理硬件的復雜性，並平衡性能與靈活性之間的矛盾。特彆是，我們將評估容器化技術對傳統虛擬化模型帶來的衝擊及其對資源調度的影響。 1.2 存儲體係結構的深度剖析： 存儲係統是現代係統性能的頭號瓶頸。本書將詳細解析多級存儲體係（寄存器、L1/L2/L3 緩存、主存、固態硬盤、分布式存儲）的設計原理。重點分析緩存一緻性協議（如 MESI 及其變種）如何確保多核環境中數據的一緻性，並討論非易失性內存（NVM）技術對傳統內存層次結構的潛在顛覆。我們將運用隊列深度、命中率與延遲懲罰模型，量化不同緩存策略的實際效能。 1.3 互連網絡拓撲與數據流： 係統的性能不再僅僅取決於單個處理器的速度，而是其內部通信效率。本章深入研究片上網絡（NoC）的設計，包括跨芯片互連（如光互連）和服務器集群中的拓撲結構（如超立方體、胖樹）。我們將分析延遲、帶寬、容錯性與可擴展性之間的權衡，並探討如何通過拓撲優化來減少通信延遲對計算密集型應用的影響。 第二部分：並行化策略與並發控製 在多核、眾核甚至異構計算日益普及的今天，有效的並行化是實現性能飛躍的唯一途徑。本部分側重於軟件如何高效地利用硬件提供的並行能力。 2.1 顯式並行編程模型與同步機製： 我們將考察 OpenMP、MPI 等主流並行模型在不同規模並行計算中的適用性。重點討論並發控製的復雜性：鎖的粒度選擇、無鎖數據結構（Lock-Free Data Structures）的設計挑戰與實現技巧，以及內存屏障（Memory Barriers）對編譯器優化和處理器重排指令的約束。 2.2 異構計算的編程範式： 深入探討 GPU 計算（CUDA/OpenCL）與傳統 CPU 架構的區彆。分析 SIMT（單指令多綫程）架構的內存訪問模式、綫程束（Warp/Wavefront）調度機製，以及如何通過有效的 Kernel 設計來最大化 GPU 的吞吐量。同時，探討 FPGA 和 ASIC 在特定領域加速中的角色。 2.3 並發錯誤檢測與調試： 隨著並行度的增加，競態條件（Race Conditions）和死鎖（Deadlocks）的調試難度呈指數級增長。本書介紹先進的程序分析技術，如因果偏序分析（Causal Partial Order Analysis）和符號執行，用於在運行時或編譯期捕獲難以復現的並發錯誤。 第三部分：係統級性能分析與瓶頸診斷 理論設計必須通過實際測量來驗證。本部分提供一套係統的性能工程方法論，幫助工程師準確識彆和量化係統中的性能瓶頸。 3.1 性能度量標準與歸因分析： 明確區分“響應時間”、“吞吐量”和“資源利用率”等核心指標。引入 Amdahl 定律與 Gustafson 定律在實際係統擴展性評估中的局限性。重點講解如何利用性能計數器（Performance Counters，如 Intel PMU）獲取硬件事件數據，並使用微架構事件來診斷緩存未命中、分支預測失誤和流水綫停頓的根本原因。 3.2 性能剖析工具鏈的應用： 詳細介紹 Linux `perf` 工具集、火焰圖（Flame Graphs）的構建與解讀，以及動態二進製插樁（如 Pin）在不修改源代碼的情況下進行運行時行為分析的能力。我們將演示如何通過觀察係統調用延遲分布和上下文切換頻率，來區分是 CPU 密集型瓶頸還是 I/O 阻塞問題。 3.3 調度器對係統整體性能的影響： 操作係統調度器是係統資源分配的“總閘門”。分析 CFS（完全公平調度器）等現代調度算法如何影響實時任務的抖動（Jitter）和高優先級任務的延遲。探討 CPU 親和性（Affinity）設置和 NUMA（非統一內存訪問）架構對進程間數據遷移的影響，並提供調優建議以減少跨節點的內存訪問開銷。 第四部分：能效優化與可持續計算 在數據中心和邊緣計算場景中，性能的提升必須與能耗控製並重。 4.1 動態電壓與頻率調節（DVFS）： 闡述現代處理器如何通過精細的 DVFS 策略來管理功耗。分析在功耗限製下，操作係統和固件層麵的策略如何影響性能的持續輸齣能力（Sustained Performance）。討論如何平衡“峰值性能”與“平均能效比”（Performance Per Watt）。 4.2 存儲與網絡設備的能耗考量： 探討 SSD 的讀寫模式對能耗的影響，以及網絡接口卡（NIC）在低功耗模式下的性能錶現。分析大規模集群中，網絡擁塞控製算法對整體係統功耗的影響，因為它直接決定瞭計算單元的空閑時間。 本書旨在超越對單一組件的描述，提供一個整體的、以性能和效率為驅動力的係統設計視角。讀者將學會如何從硬件架構的限製齣發，構建齣能夠在復雜約束條件下實現最優性能的軟件和係統解決方案。

第零章　導　讀

第一部分　概　況
第一章　簡　介
第二章　電腦進化與效能錶現

第二部分　電腦係統
第三章　電腦功能和互連結構的頂層概況
第四章　快取記憶體
第五章　內部記憶體
第六章　外部記憶體
第七章　輸入 / 輸齣
第八章　作業係統

第三部分  算術與邏輯
第九章  數字係統
第十章  計算機算術
第十一章  數位邏輯

第四部分　中央處理單元
第十二章　指令集：特性與功能
第十三章　指令集：定址模式和指令格式
第十四章　 處理器結構和功能
第十五章　精簡指令集電腦
第十六章　指令平行機製與超純量處理器

第五部分　平行組織
第十七章　平行處理
第十八章　多核心電腦
英中文索引

评分☆☆☆☆☆

這本《計算機組織與結構：效能設計》真的讓我顛覆瞭對電腦硬體的一些刻闆印象。過去我總覺得硬體是個黑盒子，隻管把它們組閤起來就好，但這本書卻讓我看到瞭硬體設計背後的智慧與巧思。書中對指令集架構（ISA）的闡述，尤其讓我印象深刻。作者不僅解釋瞭RISC與CISC的歷史演變和各自的優缺點，還深入探討瞭不同指令的設計如何影響處理器的執行效率。我以前寫程式的時候，有時候會覺得某些指令「為什麼要這樣設計？」，讀完這本書後，我纔恍然大悟，原來這背後牽涉到非常多細膩的考量，例如減少指令數、簡化解碼流程，或者更有效率地利用暫存器等等。而書中對於分支預測（Branch Prediction）的講解，更是讓我驚豔。它解釋瞭電腦如何預測程式流程，以及預測錯誤會帶來多麼嚴重的效能損失，這讓我更加理解為何程式設計師在撰寫迴圈或條件判斷時，需要考慮到分支的複雜性。此外，書中還提到瞭嚮量處理、GPU架構的演進，這些內容都讓我有種「原來如此！」的感覺。對於想要深入瞭解電腦效能如何從硬體層級被優化的讀者來說，這本書提供瞭非常紮實的基礎，而且講解得非常透徹，不會讓你感到雲裡霧裡。

评分☆☆☆☆☆

這本《計算機組織與結構：效能設計》真的讓我受益匪淺，尤其是在理解軟硬體協同作用方麵。我一直覺得，軟體工程師和硬體工程師之間，總感覺有點隔閡，但這本書卻巧妙地搭建瞭這樣一座橋樑。作者很強調「效能設計」，這意味著他不僅僅是在介紹硬體的組成，更是在探討如何透過設計，讓硬體發揮齣最大的效能，而這又反過來影響軟體的撰寫。書中對於虛擬記憶體（Virtual Memory）的講解，就讓我非常受用。它解釋瞭虛擬記憶體如何讓程式看起來擁有比實際記憶體更大的空間，以及分頁（Paging）、分段（Segmentation）等機製如何實現，並且它們對效能的影響。這讓我理解瞭為何有時候程式會突然變慢，可能是因為記憶體換頁（Page Fault）頻繁發生。此外，書中也討論瞭網路通訊的協定，以及它們在硬體層麵的實現，這讓我對網路傳輸的速度與瓶頸有瞭更為深刻的認識。我以前總以為網路慢就是ISP的問題，但讀瞭這本書，我纔發現，硬體本身的設計、傳輸路徑、甚至是資料封包的處理方式，都會對網路效能產生巨大的影響。總之，這是一本讓我能夠跳脫單一層次的思考，而能從更宏觀的角度來理解電腦係統效能的關鍵性著作。

评分☆☆☆☆☆

哇，這本《計算機組織與結構：效能設計》我真是從頭看到尾，覺得收穫滿滿！尤其是我一直對電腦內部是怎麼運作的感到好奇，這本書就好像給我打開瞭一扇新世界的大門。它沒有那種枯燥乏味的理論堆砌，而是用一種非常生動、而且跟實際應用緊密結閤的方式來闡述。像是講到CPU的管線化，作者就用瞭超擬真的比喻，讓我瞬間理解瞭為何要這樣設計，以及它對效能提升有多麼關鍵。再來，書中對於記憶體層級的解釋也讓我大開眼界，原本以為記憶體就是單純的「大」和「快」，但它卻詳細解釋瞭快取記憶體（Cache）的原理，還有不同層級之間的資料傳輸速度差異，以及軟體設計如何巧妙地利用這些特性來優化效能。讀著讀著，我甚至開始反思自己寫程式時的一些習慣，是不是可以做得更好，來讓程式跑得更順暢。而且，它還討論瞭一些現代處理器設計的趨勢，像是多核心、SIMD指令集等等，這些我平常聽過但不太懂的東西，透過這本書的介紹，變得非常容易理解。總之，如果你跟我一樣，對電腦硬體效能有著濃厚的興趣，又希望能夠從根本上理解程式跑得快的原因，這本書絕對是你的不二之選！它不隻是一本教科書，更像是一位經驗豐富的老師，引導你一步步探索電腦組織與結構的奧秘。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始翻開《計算機組織與結構：效能設計》時，我心裡有點打退堂鼓，畢竟「組織與結構」聽起來就一副很學術、很難啃的樣子。但讀著讀著，我纔發現我完全錯瞭！這本書的作者，真的非常厲害，他能夠將一些聽起來很抽象的概念，用非常具體、生動的方式呈現齣來。比如，他在講解快取記憶體的寫迴策略（Write-Back Policy）時，用瞭好多貼切的生活化比喻，讓我瞬間理解瞭為何要這麼做，以及不同策略之間的效能取捨。還有，書中對於I/O係統的闡述，也讓我對輸入輸齣不再隻是「傳輸資料」這麼簡單的認知。它詳細解釋瞭中斷（Interrupt）、DMA（Direct Memory Access）等機製，以及它們如何減少CPU的負擔，提升整個係統的反應速度。我以前寫過一些需要大量讀取檔案的程式，常常覺得效能瓶頸就在I/O，讀瞭這本書後，我纔明白，原來可以透過一些設計上的技巧，來優化I/O的效率。此外，書中也討論瞭一些並行處理的技術，例如多執行緒（Multithreading）和多處理器（Multiprocessor）係統的架構，以及它們在效能提升上的優勢與挑戰。這讓我對現代電腦的並行計算能力有瞭更深的理解。總之，這是一本非常適閤想要提升程式效能、或是對電腦係統底層運作有興趣的讀者的好書。

评分☆☆☆☆☆

《計算機組織與結構：效能設計》這本書，絕對是近期我看過最紮實、也最有啟發性的一本！它不像坊間很多書籍那樣，隻停留在錶麵介紹，而是深入探討瞭許多底層的設計原理。我特別喜歡書中關於錯誤檢測與糾正（Error Detection and Correction）機製的講解。原本以為電腦錯誤是偶然發生的，但這本書卻告訴我，硬體設計本身就包含瞭許多機製來預防和修正這些錯誤，例如ECC記憶體。這讓我對電腦的穩定性有瞭更深的信心，也瞭解到這些看不見的防護措施有多麼重要。再來，書中對於叢集（Cluster）與分散式係統（Distributed System）的介紹，也讓我對現代大型係統的架構有瞭新的認識。它解釋瞭如何透過多颱電腦協同工作，來達到單颱電腦無法企及的運算能力與可靠性，並且探討瞭其中所麵臨的挑戰，例如資料同步、負載平衡等等。這讓我更加理解，為何像Google、Amazon這樣的公司，能夠提供如此龐大的服務。此外，書中也提到瞭一些低功耗設計的原則，這在現今節能環保的趨勢下，顯得格外重要。總之，這是一本能夠讓你從硬體層麵，全麵理解電腦係統效能優化、穩定性，乃至於未來發展趨勢的寶典。