計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

前言

當(dāng)我被派去幫忙拯救本科生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程時(shí)，便開始醞釀本書的編寫了。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程遭受了多年的忽視：雖然很多教授和訪問學(xué)者都講授過這門課程，但他們往往對(duì)數(shù)字硬件缺乏興趣，或缺乏相關(guān)的知識(shí)背景，從而使這門課程已經(jīng)退化成各種硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)的大雜燴。在÷些學(xué)期里，學(xué)生們將一門課程的所有時(shí)間都花在學(xué)習(xí)布爾代數(shù)上，卻毫不涉及實(shí)際的硬件；而在另外一些學(xué)期里，學(xué)生們只學(xué)習(xí)某一種匯編語(yǔ)言晦澀難懂的細(xì)節(jié)，卻完全不了解其他的語(yǔ)言。那么，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程還值得保留嗎？絕對(duì)值得保留！在眾多計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)計(jì)劃中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程是學(xué)生們了解有關(guān)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的基本概念的唯一機(jī)會(huì)。對(duì)硬件的理解使學(xué)生能夠編寫效率更高、錯(cuò)誤更少的程序。廣義上講，體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)有助于理解編程選擇的因果關(guān)系，從而幫助程序員提高程序效率。此外，了解硬件的工作原理使程序員能夠迅速找出程序出錯(cuò)的根源，從而改進(jìn)編程過程。最后，畢業(yè)生們必須理解體系結(jié)構(gòu)的基本概念，才能通過像Intel和Microsoft這樣的公司的招聘測(cè)試。拯救系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程的步驟之一就是尋找一本合適的教材。我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的教材大致可以分為兩類：一類面向?qū)頃?huì)從事硬件設(shè)計(jì)的工程類低年級(jí)學(xué)生；另一類則面向計(jì)算機(jī)科學(xué)系的學(xué)生，并試圖囊括編譯器、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（至少一種）等諸多內(nèi)容。這些教材都不適合作為單獨(dú)的入門級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教材。我們需要這樣一本教材：（1）重點(diǎn)介紹概念而非工程細(xì)節(jié)（因?yàn)槲覀兊膶W(xué)生并不會(huì)去深究硬件設(shè)計(jì)）；（2）從程序員的角度來闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這一主題，并強(qiáng)調(diào)其對(duì)程序員的重要意義；（3）不應(yīng)涵蓋多門課程的內(nèi)容。當(dāng)我們無法找到這樣的教材時(shí)，唯一的辦法就是編寫一本。本書主要分為五個(gè)部分。第l部分講述數(shù)字邏輯、邏輯門和數(shù)據(jù)表示的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)表示這一章，這是因?yàn)槎M(jìn)制補(bǔ)碼運(yùn)算和整數(shù)值域的概念是編程的基礎(chǔ)。第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ部分分別介紹體系結(jié)構(gòu)的三個(gè)基本組件：處理器、存儲(chǔ)器和I／O系統(tǒng)。各章都為學(xué)生提供了充足的背景知識(shí)，以便理解系統(tǒng)操作機(jī)制及其對(duì)于程序員的意義。最后，第V部分討論了一些高級(jí)論題，例如并行處理、流水線技術(shù)以及性能。附錄主要介紹此課程的一個(gè)重要組成部分：實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。雖然大多數(shù)實(shí)驗(yàn)問題都要求通過編程解決，但在開始的幾個(gè)星期內(nèi)，學(xué)生們應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室里將一些門電路焊接在電路板上。這些器材并不貴（平均每個(gè)學(xué)生花費(fèi)不到15美元，用于購(gòu)買固定設(shè)備；每個(gè)學(xué)生花費(fèi)不到20美元就可以買到一套屬于自己的芯片）。

內(nèi)容概要

本書主要分為五個(gè)部分。第1部分講述數(shù)字邏輯、邏輯門和數(shù)據(jù)表示的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)表示這一章，這是因?yàn)槎M(jìn)制補(bǔ)碼運(yùn)算和整數(shù)值域的概念是編程的基礎(chǔ)。第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ部分分別介紹體系結(jié)構(gòu)的三個(gè)基本組件：處理器、存儲(chǔ)器和I／0系統(tǒng)。各章都為學(xué)生提供了充足的背景知識(shí)，以便理解系統(tǒng)操作機(jī)制及其對(duì)于程序員的意義。最后，第V部分討論了一些高級(jí)論題，例如并行處理、流水線技術(shù)以及性能。本書為全英文版。

作者簡(jiǎn)介

Douglas Comer博士在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的知識(shí)背景，而且一直從事著軟件和硬件的教學(xué)與研究工作。Comer在軟件方面的研究工作橫跨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，包括編譯器和操作系統(tǒng)。他構(gòu)建過一個(gè)完整的操作系統(tǒng)，包括進(jìn)程管理器、內(nèi)存管理器以及串行接口和并行接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。Comer也為常規(guī)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)處理器編寫過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。他開發(fā)的操作系統(tǒng)Xinu和TCP／IP協(xié)議棧已經(jīng)被應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品中。 Comer的硬件工作經(jīng)驗(yàn)包括設(shè)計(jì)離散元件、邏輯門電路以及基本的硅工藝經(jīng)驗(yàn)。他已經(jīng)編寫了幾本暢銷的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)處理器體系結(jié)構(gòu)的教材。在貝爾實(shí)驗(yàn)室，Comer研究過USSI設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)了一種VLSI芯片。 Comer是普度大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的著名教授，他致力于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和Internet方面的開發(fā)、教學(xué)和研究。Comer建立了幾個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，使得學(xué)生可以建立和測(cè)試各種系統(tǒng)，例如操作系統(tǒng)和IP路由器；Comer的所有課程都包括實(shí)驗(yàn)。他還不斷地在世界各地的大學(xué)、工業(yè)界和會(huì)議上進(jìn)行咨詢和演講。 除了編寫一系列享譽(yù)世界的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、TCP／IP和計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的書籍外，Comer還兼任Software：Practice and Experience雜志的主編。他是ACM成員、普度大學(xué)教學(xué)學(xué)會(huì)成員，獲得過無數(shù)嘉獎(jiǎng)，其中包括USENIX終身成就獎(jiǎng)（USENIXLifetime Achievement Awed）。

書籍目錄

PrefaceChapter I Introduction And Overview　1.1 The Importance Of Architecture 　1.2 Learning The Essentials 　1.3 Organization Of The Text 　1.4 What We Will Omit 　1.5 Terminology: Architecture And Design　1.6 Summary PART 1 Basics　Chapter 2 Fundamentals Of Digital Logic　　2.1 Introduction 　　2.2 Electrical Terminology: Voltage And Current 　　2.3 The Transistor 　　2.4 Logic Gates 　　2.5 Symbols Used For Gates 　　2.6 Construction Of Gates From Transistors 　　2.7 Example lnterconnection Of Gates 　　2.8 Multiple Gates Per Integrated Circuit 　　2.9 The Need For More Than Combinatorial Circuits 　　2.10 Circuits That Maintain State 　　2.11 Transition Diagrams 　　2.12 Binary Counters 　　2.13 Clocks And Sequences 　　2.14 The Important Concept Of Feedback 　　2.15 Starting A Sequence 　　2.16 Iteration In Software Vs. Replication In Hardware 　　2.17 Gate And Chip Minimization 　　2.18 Using Spare Gates 　　2.19 Power Distribution And Heat Dissipation 　　2.20 Timing 　　2.21 Physical Size And Process Technologies 　　2.22 Circuit Boards And Layers 　　2.23 Levels Of Abstraction 　　2.24 Summary 　Chapter 3 Data And Program Representation　　3.1 Introduction 　　3.2 Digital Logic And Abstraction 　　3.3 Bits And Bytes 　　3.4 Byte Size And Possible Values 　　3.5 Binary Arithmetic 　　3.6 Hexadecimal Notation 　　3.7 Notation For Hexadecimal And Binary Constants 　　3.8 Character Sets 　　3.9 Unicode 　　3.10 Unsigned Integers, Overflow, And Underflow 　　3.11 Numbering Bits And Bytes 　　3.12 Signed Integers 　　3.13 An Example Of Two's Complement Numbers 　　3.14 Sign Extension 　　3.15 Floating Point 　　3.16 Special Values 　　3.17 Range Of lEEE Floating Point Values 　　3.18 Data Aggregates 　　3.19 Program Representation 　　3.20 Summary PART 2 ProcessorsPART 3 Memories

章節(jié)摘錄

插圖：The important point is that moving up the levels of abstraction allows US to hidemore details and talk about larger and larger pieces without giving internal details.When we describe processors，for example，we can consider how a processor workswithout examining the internal structure at the level of gates or transistors.An important consequence of abstraction arises in the diagrams architects and en.gineers use to describe digital systems.As we have seen，schematic diagrams canrepresent the interconnection of transistors，resistors，and diodes.Diagrams call also beused to represent an interconnection among gates.In later chapters，we will use high-level diagrams that represent the interconnection of processors and memory systems.Insuch diagrams，a small rectangular box will represent a processor or a memory withoutshowing the interconnection of gates.When looking at an architectural diagram，it willbe important to understand the level of abstraction，and to remember that a single itemin a high.1evel diagram Can correspond to an arbitrarily large number of gates.2.24 SummaryDigital logic refers to the pieces of hardware used to construct digital systems suchas computers.As we have seen，Boolean algebra is an important tool in digital circuitdesign；there is a direct relationship between Boolean functions and the gates used toimplement combinatorial digital circuits.We have also seen that Boolean logic valuesCan be described using truth tables.A clock is a straightforward mechanism that emits pulses at regular intervals.Aclock allows a digital circuit to change without requiring inputs to change，and can beused to provide synchronization among muldple parts of a circuit.Although we think of digital logic from a mathematical point of view，buildingpractical circuits involves understanding the underlying hardware details。In particular，besides basic correctness，engineers must contend with problems of power distribution，heat dissipation，and clock skew.

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《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(影印版)》由高等教育出版社出版。

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