世界第一簡單CPU pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• CPU
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　　瞭解基礎概念，與程式運作！
　　二進數、數位電路的邏輯運算、各種電路、浮點數介紹
　　CPU構造與指令處理機製、運算指令、微控器……
　　利用本書打好基礎纔能進階學習，
　　最易懂的工程師養成入門書！
 
　　電腦的五大單元是什麼？
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　　國立颱灣大學電機工程學係特聘教授 闕誌達  審訂

計算機體係結構與數字邏輯基礎：深入理解現代計算核心 本書簡介： 本書旨在為對計算機底層原理、數字邏輯設計以及微處理器工作機製感興趣的讀者提供一個全麵、深入的學習路徑。不同於市麵上專注於特定編程語言或應用軟件的書籍，我們聚焦於計算的“骨架”——計算機體係結構與硬件實現。 第一部分：數字邏輯與布爾代數：構建計算的基石 本部分將帶領讀者從最基礎的邏輯單元開始，理解如何通過邏輯門構建復雜的數字係統。 第1章：信息錶示與二進製係統 我們將詳細探討信息在計算機中的基本載體——二進製係統。內容涵蓋： 數製轉換： 深入講解二進製、八進製、十六進製之間的精確轉換方法，並闡述它們在計算機存儲和錶示中的實際應用。 有符號數錶示： 重點剖析原碼、反碼、補碼（Two's Complement）的原理、優缺點及其在現代處理器中的絕對統治地位。我們將通過大量實例演示補碼運算如何簡化加減法邏輯。 定點與浮點錶示： 介紹IEEE 754標準下的單精度和雙精度浮點數格式，分析尾數、指數和符號位的含義，以及由此帶來的精度與範圍的權衡。 第2章：布爾代數與邏輯門 本章是數字電路的基礎。我們將係統學習布爾代數的基本公理、定理（如德摩根定律）以及化簡方法。 基本邏輯門： 詳細介紹與（AND）、或（OR）、非（NOT）、異或（XOR）、與非（NAND）、或非（NOR）的功能、真值錶和標準符號。 邏輯函數的錶示與化簡： 教授如何使用卡諾圖（Karnaugh Map，K-map）和奎因-麥剋拉斯基（Quine-McCluskey）方法對復雜邏輯函數進行最簡化，這是硬件資源優化的關鍵技術。 組閤邏輯電路設計： 基於化簡後的邏輯錶達式，設計和分析加法器（半加器、全加器）、多路選擇器（MUX）、譯碼器（Decoder）和編碼器（Encoder）等核心組閤電路。 第3章：時序邏輯電路與存儲單元 組閤邏輯電路的輸齣僅依賴於當前輸入，而時序邏輯則引入瞭“記憶”的概念。 鎖存器與觸發器： 深入解析基本的SR鎖存器、D觸發器、JK觸發器和T觸發器的結構、特性（如建立時間、保持時間）和工作原理。重點討論同步和異步設計的區彆。 寄存器與移位寄存器： 講解如何用觸發器構建並行輸入/並行輸齣（PIPO）、串行輸入/並行輸齣（SIPO）等不同類型的寄存器，以及它們在數據暫存和序列處理中的作用。 計數器： 設計和分析異步（Ripple）計數器和同步計數器，包括環形計數器和Johnson計數器，理解它們如何實現時間控製和頻率分頻。 第二部分：核心組件與數據通路：構建CPU的內部結構 本部分將把離散的邏輯門和觸發器組閤起來，構建齣計算機執行指令的實體——數據通路。 第4章：算術邏輯單元（ALU） ALU是執行所有算術和邏輯運算的“心髒”。 加法器陣列： 從全加器齣發，構建快速的並行加法器，如先行進位加法器（Carry-Lookahead Adder）的結構。 減法與乘法： 講解如何利用補碼實現減法，並介紹串行和並行乘法算法（如Booth算法的原理基礎）。 邏輯運算與標誌位： 分析移位操作、邏輯運算（AND, OR, XOR）的實現，以及如何根據運算結果設置零標誌（Z）、進位標誌（C）、溢齣標誌（V）和負標誌（N）。 第5章：數據通路與控製單元 本章是理解指令如何被執行的關鍵。 基本數據通路組件： 描述寄存器堆（Register File）、程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）和內存地址寄存器（MAR）的功能。 單周期數據通路設計： 首次構建一個能執行基本指令集（如R型、加載/存儲指令）的完整數據通路模型，分析指令取指、譯碼、執行、訪存和寫迴五個階段在單周期模型下的同步流程。 控製單元基礎： 介紹控製單元的功能是生成控製信號，並對比硬布綫控製（Hardwired Control）與微程序控製（Microprogrammed Control）的架構差異。 第三部分：指令集架構（ISA）與存儲係統 本部分從軟件與硬件的交界麵——指令集架構入手，並擴展到內存層次結構。 第6章：指令集架構概覽 ISA定義瞭程序員（或編譯器）能看到和使用的所有指令和操作。 指令格式分析： 詳細分析固定長度和可變長度指令的編碼方式。區分操作碼（Opcode）、功能碼（Funct）和尋址模式。 尋址模式： 係統分類和解析寄存器直接尋址、立即數尋址、直接尋址、寄存器間接尋址以及相對尋址等多種模式，討論其對程序效率的影響。 RISC與CISC的哲學： 對精簡指令集（RISC）和復雜指令集（CISC）的設計理念進行深入對比，分析它們在硬件復雜性、時鍾周期和編譯器優化上的取捨。 第7章：存儲器係統層次結構 高效的CPU必須配備快速的存儲係統來喂養數據和指令。 存儲器基礎： 介紹RAM（SRAM與DRAM）和ROM的特性，以及它們在主存中的作用。 Cache工作原理： 深入講解Cache的概念、映射方式（直接映射、全相聯、組相聯）以及替換策略（LRU, FIFO）。分析命中率和缺失懲罰對係統性能的決定性影響。 虛擬存儲器： 介紹地址轉換的概念，理解頁錶（Page Table）如何實現邏輯地址到物理地址的映射，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻譯中的關鍵作用。 第四部分：性能優化與現代CPU技術 本部分探討如何突破單周期設計的速度瓶頸，邁嚮高性能計算。 第8章：流水綫技術 流水綫是現代高性能CPU的核心加速手段。 基本流水綫模型： 剖析五級流水綫（取指、譯碼、執行、訪存、寫迴）的結構，並計算理論加速比。 流水綫冒險處理： 詳細分析數據冒險（讀後寫、寫後讀、寫後寫）和控製冒險（分支預測）的成因。 解決方案： 講解數據前遞（Forwarding/Bypassing）技術如何解決數據冒險，以及分支延遲槽和動態分支預測器（如兩級預測器）如何緩解控製冒險。 第9章：現代CPU中的高級技術概述 本章簡要介紹超越基礎流水綫的技術，為讀者後續深入學習打下基礎。 超標量與亂序執行： 解釋超標量（Superscalar）架構如何在一個時鍾周期內發射多條指令，並介紹指令重排序（Out-of-Order Execution）如何通過保留站和重排序緩衝（ROB）來提高指令級並行性。 嚮量處理與SIMD： 簡述單指令多數據（SIMD）的概念及其在多媒體和科學計算中的應用（如SSE, AVX擴展）。 本書內容層層遞進，從最基本的邏輯門開始，逐步構建起一個功能完備且高效的計算機係統模型，確保讀者不僅瞭解“做什麼”，更能理解“如何實現”這些計算過程。本書適閤計算機科學、電子工程專業的學生，以及希望深入理解計算機硬件工作原理的專業人士和愛好者閱讀。

作者簡介

澀榖道雄

　　1971年，東海大學工學係電子工學科畢業。
　　民間醫療機關研究中心NMR等的研究員。
　　1979年，在外商半導體廠商，從事MOS的企劃、開發、設計等長達12年。
　　之後在國內半導體商業公司、外商IC廠商的技術部門，從事IC的設計開法等。
　　2007年5月，在半導體商業公司（株）三共社，以應用工程師（Field Application Engineer）的身分活動。現為同傢公司的特彆顧問。

　　〈著作〉
　　《用Excel學訊號分析與數值模擬》
　　《用Excel學傅立葉轉換》
　　《世界第一簡單傅立葉分析》
　　《世界第一簡單半導體》
　　《用電路模擬器LPspice學電子電路》（以上皆為歐姆社齣版）
 
審訂者簡介

闕誌達

　　現職：
　　國立颱灣大學電機係 教授

　　學曆：
　　國立颱灣大學電機係學士
　　美國加州理工學院電機係碩士、博士

　　經曆：
　　國立颱灣大學電機係副教授
　　國立颱灣大學電子研究所所長
　　颱灣積體電路設計學會理事長
　　國傢實驗研究院晶片係統設計中心主任

　　專業資格：
　　國際電機電子工程師學會 (IEEE) Fellow
 
譯者簡介

衛宮紘

　　清華大學原子科學院學士班。自由譯者，譯作有《上司完全使用手冊》（東販）、《超慢跑入門》（商周）、《男人懂瞭這些更成功》（潮客風）、《世界第一簡單電力係統》（世茂）……等。

第1章 CPU的功用1
以電腦處理各種資訊11
電腦的核心是CPU（中央運算處理單元） 14
電腦的五大單元16
CPU的核心是ALU（算術邏輯單元） 22
CPU的運算與判斷25
「資訊」是什麼？ 30
數位資訊與類比資訊的差異32

第2章  數位運算35
電腦的世界採用二進數36
「0與1」是相反的狀態37
十進數與二進數38
二進數的數值錶示40
定點數與浮點數42
二進數的加法與減法44
邏輯運算是什麼？ 48
IC內含邏輯電路48
三大基本電路（AND、OR、NOT） 51
真值錶、文氏圖53
AND電路、OR電路、NOT電路的整理55
其他的基本電路（NAND、NOR、EXOR） 57
NAND、NOR、EXOR電路的整理58
第摩根定律60
運算電路62
加法電路62
半加法器64
全加法器、漣波進位加法器66
漣波進位加法器和進位預看加法器68
記憶電路70
必備的記憶電路70
記憶電路的基礎──正反器74
RS正反器76
D正反器與時脈訊號78
T正反器與計數器81
最近的電路設計是什麼？（CAD、FPGA） 85

第3章  CPU的構造87
記憶體與CPU的相關知識88
記憶體的位址分配89
資料的通道：匯流排92
匯流排寬度與位元數94
R／W控製與I／O控製98
指令由運算元和指令碼構成101
運算所需的暫存器103
CPU處理指令的步驟106
傳統CPU的構造106
CPU處理指令的步驟107
以程式計數器改變指令112
各種記憶單元115
硬體和記憶體的比較116
RAM領域、ROM領域與I／O領域119
中斷是什麼？ 122
中斷也是種功能122
堆疊與堆疊指標126
中斷的優先度128
記憶體的分類132
I／O埠與GPU 133
時脈頻率與準確度134
時脈産生器135
計時器中斷136
重置的動作138
判定CPU效能的指標（FLOPS值） 139

第4章  運算指令141
指令的種類142
指令有很多種類144
算術運算、邏輯運算的指令146
移位是什麼？ 147
可錶示負數的正負號位元149
邏輯移位與算術移位151
循環移位（迴轉移位） 154
資料傳輸的指令155
輸入輸齣的指令156
分歧指令157
分歧指令、跳躍指令與跨越指令159
條件判斷和狀態旗標160
「分歧指令」和「條件判斷」的組閤163
運算元的種類164
運算元的數量164
運算元的各種形式167
即值處理168
位址參照169
定址法170
ALU的運算機製178
探索ALU的內部178
串列傳輸與並列傳輸187
基本暫存器的整理188
基本狀態旗標的整理190
休眠指令192

第5章  程式193
組閤語言與高階語言194
組閤語言是什麼？ 196
組閤語言和高階語言的特徵198
程式和原始碼的差異203
程式的基本知識204
條件判斷和跳躍的功能204
想要讓電腦做什麼事？ 208
程式保存在哪裏？ 212
程式在動作前的執行流嚮213
第6 章  微控器215
微控器是什麼？ 216
許多産品都有微控器217
微控器的功能218
微控器的構造223
DSP是什麼？ 226
DSP和乘積纍加運算228
産業機器的應用229
尾聲231
〈最近的CPU趨勢〉242
索引245
作者介紹249

序

　　一九五○年代網路開始普及後，IT技術逐漸受人重視，而IT技術的核心就是稱為CPU（中央運算處理單元）的半導體零件。邁入二十一世紀，電路設計技術與製造技術的躍進，使CPU得以高速化、小型化，廣泛應用於生活週遭的電器産品，例如電腦、智慧型手機、平闆裝置，此外，冷氣、冰箱、洗衣機等白色傢電1也都運用瞭CPU。

　　電腦等裝置的CPU具有多功能，但本書將不解說過於艱深的概念，因此本書不介紹近年的研究主流之一——電腦構成（Computer Architecture）。

　　然而，不論科技如何進步，隻要掌握CPU的原理、初期CPU的基礎概念，即可瞭解CPU是什麼，以及程式的運作。舉例來說，我們已習慣以汽車代步，但幾乎沒有人能夠說明為什麼汽車可以移動，也就是說，很少人知道引擎的運作原理與動力傳導機製。據說一九五○年代的駕照考試會齣關於引擎構造的題目，但這種考題早已不列入齣題範圍。由此可知，現在想瞭解引擎構造等相關知識的人，好奇心真的很旺盛。

　　同樣的，我認為，學習現在已完全融入我們生活中的CPU的運作原理，不隻可以滿足好奇心，也可訓練思考，因此本書想嚮讀者介紹CPU。

　　本書得以齣版，必須感謝將內容改編成有趣故事的office sawa澤田佐和子小姐，以及作畫的十 高誌先生，感謝他們的大力協助。
 
　　1 傢電界把傳統傢電分為三類：替人類做傢務的白色傢電、提供娛樂的黑色傢電，以及輸齣功率小的小傢電。

記憶體的分類
 
ROM是「Read Only Memory」的簡稱，即使沒有供應記憶體電源，也能繼續保存資料，但隻能讀取該筆資料。
 
另一方麵，RAM是「Read Access Memory」的簡稱，不受限於位址的順序，能夠隨機指定位址，以讀取、寫入資料。有些人會以為「ROM和RAM」是相對的，但事實並非如此。
 
如上圖所示，與RAM相對的是SAM（Sequential AccessMemory），這是過去用於磁帶、磁鼓（magnetic drum），按照記憶體位址順序來讀寫的記憶體。與ROM相對的則是RWM（Read Write Memory）。
 
即使沒有供應電源，也能繼續保存寫入的資料，等到再次供應電源時，即可讀寫原資料的記憶體，稱為「非揮發性記憶體（Nonvolatile Memory）」。與此相對，停止供應電源（切斷電源），記憶資料便會消失的記憶體，稱為「揮發性記憶體（Volatile Memory）」。
 
最近，我們則稱揮發性記憶體為「RAM」；非揮發性記憶體為「ROM」。
 
◆ I／O埠與
 
若I／O（輸入、輸齣）裝置沒有和CPU的暫存器、ALU連接，外部的輸入即無法傳遞到CPU。
 
外部的輸入不單指以鍵盤輸入的文字，還包括電力訊號。此外，若不將運算結果的電力訊號，以「閃爍LED」等方式輸齣，電腦就無法和人類互動。
 
因此，與連接外部記憶體的原理相同，內部匯流排會藉由I／O埠（輸入、輸齣埠），連接外部裝置。
 
我們平常使用的電腦輸齣單元——電腦螢幕，其實大多沒有和運算中的CPU直接相連。
 
螢幕畫麵是利用GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理專用的運算IC），做齣圖像並顯示齣來。而內含GPU的大型係統專用CPU，即設有GPU專用的I／O埠。

除瞭電腦的大型係統，配備彩色LCD（液晶螢幕）顯示器的機器，CPU仍會經由I／O埠，將資料傳給LCD控製器，接著，LCD控製器與驅動器再輸齣畫麵。
 
◆ 時脈頻率與準確度
 
操作CPU當然需要電源。此外，「時脈（時脈頻率；Clock Frequency）」這種在一定週期內，重復H位準和L位準的訊號也是必要的。
 
順帶一提，「頻率」是指波（訊號）每秒重復的次數。
 
時脈訊號扮演著「CPU心髒脈搏」的角色，如要驅動CPU內部的電路（例如，將資料鎖存到ALU、推進程式計數器的區塊※），時脈訊號是不可或缺的。
 
※區塊是指為瞭實現某功能所集結的資料塊。
 
時脈的單位是Hz（赫茲），錶示「每秒能夠重復幾次時脈動作」，例如，40MHz錶示每秒重復四韆萬次時脈動作。

评分☆☆☆☆☆

天啊，我最近在書店看到一本名字超霸氣的書，叫做《世界第一簡單CPU》！光是書名就讓我眼睛為之一亮，心裡想著：「哇，這到底是有多簡單？難道真的能讓我這種對電路圖一竅不通的人也能理解CPU到底是什麼嗎？」我平常對3C產品都抱持著「能用就好」的態度，頂多知道CPU是電腦的大腦，但更深入的原理就一概不知瞭。這次抱著一種「反正就當成故事看看」的心情，翻開瞭這本書。一開始就被作者的敘述方式給吸引住瞭，他用瞭一種非常生活化的比喻，彷彿在講一個精彩的冒險故事，而不是枯燥的技術說明。我最怕那種滿是專業術語、看瞭就頭昏眼花的內容，但這本書完全沒有這個問題，反而讓我對CPU的運作方式產生瞭極大的好奇。我特別喜歡其中一個章節，它把CPU的各個部分想像成一個個辛勤工作的小精靈，負責處理各種指令，然後將結果傳遞齣去。這個想像力真的太豐富瞭，讓我腦海中立刻浮現齣一個生動的畫麵。我已經迫不及待想知道，這些小精靈到底是如何閤作，纔能讓我們的電腦跑得這麼快！這本書的封麵設計也很簡潔有力，沒有過多的花俏，完全符閤「簡單」的主題。我感覺這本書不隻是在介紹CPU，更是在啟發讀者對科技的興趣，讓人覺得原本遙不可及的技術，其實也沒有那麼難以理解。我真的非常期待接下來的閱讀體驗，希望能夠像書名說的一樣，真的讓「世界第一簡單CPU」變得不再是遙不可及的夢想。

评分☆☆☆☆☆

老實說，我對電腦硬體方麵的知識一直停留在「能開機、能上網」的初級階段，對於CPU這種聽起來就很「硬」的東西，更是敬而遠之。《世界第一簡單CPU》這個書名，實在是太吸引人瞭，讓我覺得「是不是真的有這麼簡單？」所以，我抱著試一試的心態買瞭這本書。結果，我真的被作者的功力給摺服瞭！他運用瞭大量我們日常生活中熟悉的例子，比如把CPU的運作比喻成「點餐流程」，從你發齣指令，到廚房（CPU）接收、處理、最後上菜（結果），整個過程都描述得清清楚楚。我尤其喜歡他解釋「時脈」的部分，他用「節拍器」來比喻，讓我知道CPU的工作速度是很有規律的。而且，他還很貼心地解釋瞭不同指令在CPU裡是怎麼被「翻譯」和執行的，我以前總以為指令就是直接被執行的，沒想到中間還有這麼多環節。這本書完全沒有那種硬梆梆的感覺，反而像是在聽一位老朋友在講故事，不知不覺中，就把複雜的CPU原理給吸收瞭。我真的覺得，這本書不僅僅是介紹CPU，更是在教導我們如何用簡單、直觀的方式去理解複雜的事物。我推薦給所有對電腦好奇，但又害怕艱澀理論的朋友們，這本書絕對會讓你驚豔！

评分☆☆☆☆☆

身為一個對科技產品充滿好奇，但又對其內部構造一知半解的普通消費者，我一直渴望能找到一本能讓我輕鬆理解CPU原理的入門書。《世界第一簡單CPU》這個書名，無疑是為我這種讀者量身打造的。我原本以為，這隻是一本將複雜概念「簡化」的書，但實際閱讀後，纔發現它遠不止於此。作者的寫作方式極富啟發性，他將CPU的複雜運作，比喻成一個高度組織化的工廠，每個部門都有特定的任務，精確地協調工作。我特別欣賞他在解釋「指令解碼」和「執行」的段落，他運用瞭類似於「解鎖」和「執行任務」的比喻，讓我知道CPU如何理解並執行我們發齣的指令。這本書並沒有為瞭「簡單」而犧牲準確性，反而是在保留核心概念的前提下，用最容易理解的語言和比喻來呈現。我甚至覺得，這本書不隻教我CPU，更教會瞭我一種學習抽象概念的方法。我曾經對CPU感到無比遙遠和神秘，但閱讀瞭這本書之後，我對它的理解程度，可以說是有瞭一個質的飛躍。我非常期待這本書能夠幫助更多像我一樣的讀者，打破對科技的隔閡，真正地理解和欣賞我們日常使用的科技產品背後的智慧。

评分☆☆☆☆☆

我一直對電腦內部是如何運作的感到相當好奇，但礙於自己理工背景較弱，許多關於硬體的書籍都讓我望而卻步。直到最近，我偶然在網路書店看到瞭《世界第一簡單CPU》這本書，它的書名引起瞭我的注意，讓我產生瞭一絲希望。拿到書後，我迫不及待地翻開。作者的寫作風格非常獨特，他沒有使用艱澀難懂的專業術語，而是用一種非常生動、有畫麵感的方式來解釋CPU的概念。我最欣賞的地方是，他將CPU的內部結構比喻成一個繁忙的城市，而各個元件就像城市裡的居民，各司其職，共同協作。例如，他把「暫存器」比喻成辦公桌上的便條紙，用來快速記錄當前需要使用的資訊；把「運算邏輯單元(ALU)」比喻成精打細算的會計師，負責處理各種加減乘除。這種生動的比喻，讓我一下子就理解瞭原本抽象的概念。書中還穿插瞭許多歷史小故事，讓我知道CPU的發展歷程，這也增加瞭閱讀的趣味性。我發現，透過作者的引導，我不再是對CPU感到一頭霧水，而是能更清晰地理解它在整個電腦係統中扮演的角色，以及它是如何一步一步完成複雜的運算。這本書真的打破瞭我對科技書籍的迷思，讓人覺得原來這麼高深的技術，也可以用如此平易近人的方式來呈現。

评分☆☆☆☆☆

說真的，我本來對「CPU」這種東西興趣缺缺，總覺得那是工程師的專業領域，跟我這種一般上班族的生活沒什麼關係。直到我在誠品翻到《世界第一簡單CPU》，那書名簡直像個小惡魔在耳邊低語：「試試看嘛，一點都不難！」我猶豫瞭一下，還是把它帶迴傢瞭。沒想到，這本書顛覆瞭我對科技書的刻闆印象。作者就像是一位非常有耐心的老師，他沒有直接丟給我一堆冰冷的數據和複雜的圖錶，而是從最基礎的概念開始，一步一步地引導我。他用瞭好多貼近生活的例子，像是把CPU比喻成一個非常有效率的指揮官，下達各種指令，然後由不同部門的小助手們去執行。我尤其喜歡他講解「指令集」的部分，他沒有用那種死闆的說明，而是用一種遊戲化的方式，讓我覺得自己在參與一個有趣的解謎過程。讀著讀著，我發現自己竟然開始理解CPU是如何處理數據，如何執行程式，甚至還能稍微想像齣它在電腦裡工作的樣子。這真是太神奇瞭！以往看到相關的技術文章，我都是直接跳過，但這本書讓我第一次覺得，原來科技也可以這麼有趣，這麼容易親近。我個人非常推薦給對電腦運作原理感到好奇，但又害怕專業術語的讀者，這本書絕對會讓你耳目一新，打破你對「難懂」的恐懼。