计算机科学丛书：计算机存储与外设 [Computer Organization and Architecture：Themes and Variations] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[英] 艾伦·克莱门茨（Alan Clements） 著，沈立，肖晓强，王苏峰 译

图书标签:

• 计算机科学
• 计算机体系结构
• 存储系统
• 外设
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• 汇编语言
• 硬件设计
• 性能分析
• 并行计算

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111557487

版次：1

商品编码：12057557

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 计算机科学丛书

外文名称：Computer Organization and Architecture：Themes and Variations

开本：16开

出版时间：2017-03-01

用纸：

内容简介

　　《计算机科学丛书：计算机存储与外设》由资深的计算机体系结构教育家Alan Clements博士编写，原书名为《计算机体系结构：原理与演变》（Computer Organization＆Architecture：Themes and Variations），书中不仅覆盖单机系统的组成原理和系统结构的各个方面，还包括计算机的性能评价方法以及多发射、粗粒度并行等内容、作者希望《计算机科学丛书：计算机存储与外设》能够适合电子工程（EE）、电子与计算机工程（ECE）、计算机科学（CS）等不同专业的教学需要。、书中围绕基本概念、指令集体系结构、处理器组成和能效、存储与外设以及处理器级并行等五个核心问题将这些内容有条不紊地组织在一起，以便满足不同专业的教学需要。
　　中文版引进的时候综合考虑国内高校“计算机组成与结构”或类似课程的教学目标以及我们对《计算机科学丛书：计算机存储与外设》的定位，对原书进行了适当裁剪和重新组合，分为两册：《计算机组成原理》和《计算机存储与外设》。
　　《计算机科学丛书：计算机存储与外设》即为《计算机存储与外设》，涵盖原书第四部分，共4章，主要讲述计算机系统中的存储器、总线和输入／输出等内容。

作者简介

　　艾伦·克莱门茨（Alan Clements）国际著名的计算机体系结构教育的推动者和践行者。他于1997年获得英国拉夫堡大学（Loughborough University）博士学位，随后加入提赛德大学（University of Teesside）计算机科学系。在20世纪70～80年代，他编写了两本计算机体系结构领域的重要教材：《计算机硬件原理》（The Principles of Computer Hardware）和《微处理器系统设计》（Microprocessor Systems Design）。
　　2001年，他担任了计算机学会国际学生竞赛（CSIDC）主席，并于同年获得英国国家教学奖（National Teaching Fellowship）。由于在计算机体系结构教育方面的贡献，他于2002年获得IEEECS本科教学奖，2006年获得IEEECS泰勒布斯教育奖（Taylor L.Booth award）。2009年被选为IEEEFellow.，他在IEEE计算机学会担任了多个职务，并积极参加课程体系设计，撰写了关于未来计算机体系结构教育的论文，参加了CS/ACM2001计算课程体系的编写和制定工作。2010年Alan Clements从全职教学岗位退休。

内页插图

目录

出版者的话
译者序
前言
本书导读
作者简介
第1章　Cache存储器和虚拟存储器
1．1　Cache存储器概述
1．1．1　Cache存储器的结构
1．2　Cache存储器的性能
1．3　Cache的组织
1．3．1　全相联映射Cache
1．3．2　直接映射Cache
1．3．3　组相联Cache
1．3．4　伪相联、Victim、Annex和Trace Cache
1．4　Cache设计中要考虑的因素
1．4．1　物理Cache和逻辑Cache
1．4．2　Cache电气特性
1．4．3　Cache一致性
1．4．4　块大小
1．4．5　取指策略
1．4．6　多级Cache
1．4．7　指令和数据Cache
1．4．8　写Cache
1．5　虚拟存储器和存储器管理
1．5．1　存储器管理
1．5．2　虚拟存储器
本章小结
习题

第2章　主存储器
2．1　简介
2．1．1　存储系统的原理和参数
2．1．2　存储层次
2．2　主存储器
2．2．1　SRAM
2．2．2　交叉存储器
2．3　DRAM
2．3．1　DRAM时序
2．3．2　DRAM技术的发展
2．4　只读存储器系列
2．4．1　EPROM系列
2．5　新兴的非易失性技术
2．5．1　铁电迟滞
2．5．2　MRAM——磁阻随机访问存储器
2．5．3　双向存储器
本章小结
习题

第3章　二级存储器
3．1　磁盘驱动器
3．2　磁性和数据存储
3．2．1　读/写头
3．2．2　磁记录密度的极限
3．2．3　磁盘数据记录原理
3．3　磁盘上的数据组织
3．3．1　磁道和扇区
3．3．2　磁盘参数和性能
3．3．3　SMART技术
3．4　安全存储和RAID系统
3．5　固态盘
3．6　磁带
3．7　光学存储技术
3．7．1　数字音频
3．7．2　从CD中读取数据
3．7．3　底层数据编码
3．7．4　可记录光盘
3．7．5　DVD
3．7．6　蓝光
本章小结
习题

第4章　输入/输出
4．1　I/O的基本原理
4．1．1　外围设备寄存器寻址机制
4．1．2　外围设备访问和总线宽度
4．2　数据传输
4．2．1　开环数据传输
4．2．2　闭环数据传输
4．2．3　缓冲数据
4．3　I/O策略
4．3．1　程序控制I/O
4．3．2　中断驱动I/O
4．3．3　直接存储器访问
4．4　I/O系统的性能
4．5　总线
4．5．1　总线结构和拓扑
4．5．2　总线的结构
4．6　总线仲裁
4．6．1　本地化仲裁和VMEbus
4．6．2　分布式仲裁
4．7　PCI和PCIe总线
4．7．1　PCI总线
4．7．2　PCIe总线
4．7．3　CardBus、PC卡和ExpressCard
4．8　SCSI和SAS接口
4．9　串行接口总线
4．9．1　以太网
4．9．2　FireWire 1394串行总线
4．9．3　USB
本章小结
习题
参考文献

前言/序言

　　21世纪是科学和技术奇迹频出的时代。计算机已经做到了人们期望它做到的一切——甚至更多。生物工程解开了细胞的秘密，使科学家能够合成10年前无法想象的新药。纳米技术让人们有机会窥探微观世界，将计算机革命与原子工程结合在一起创造出的纳米机器人，也许有一天能够植入人体，修复人体内部的创伤。普适计算带来了手机、MP3播放器和数码相机，使人们彼此之间能够通过Internet保持联系。计算机是几乎所有现代技术的核心。本书将阐述计算机是如何工作的。
　　从20世纪50年代起大学就开始教授这门被称为计算的学科了。一开始，大型机主导了计算，这个学科包括对计算机本身、控制计算机的操作系统、语言和它们的编译器、数据库以及商业计算等的研究。此后，计算的发展呈指数增长，到现在已包含多个不同的领域，任何一所大学都不可能完全覆盖这些领域。人们不得不将注意力集中在计算的基本要素上。这一学科的核心在于机器本身：计算机。当然，作为一个理论概念，计算可以脱离计算机而独立存在。实际上，在20世纪三四十年代计算机革命开始之前，人们已经进行了相当多的关于计算机的科学理论基础的研究工作。然而，计算在过去40年里的发展方式与微处理器的崛起紧密联系在一起。如果人们无法拥有价格非常便宜的计算机，Internet也无法按照它已有的轨迹取得成功。
　　由于计算机本身对计算的发展及其发展方向产生了巨大影响，在计算的课程体系中包含一门有关计算机如何工作的课程是非常合理的。大学里计算机科学或计算机工程方向的培养方案中都会有这样一门课程。实际上，专业和课程的认证机构都将计算机体系结构作为一项核心要求。比如，计算机体系结构就是IEEE计算机协会和ACM联合发布的计算学科课程体系的中心内容。
　　介绍计算机具体体现与实现的课程有各种各样的名字。有人将它们叫作硬件课，有人管它们叫作计算机体系结构，还有人把它们叫作计算机组成（以及它们之间的各种组合）。本书用计算机体系结构表示这门研究计算机设计方法和运行方式的课程。当然，我会解释为什么这门课程有那么多不同的名字，并会指出可以用不同的方式来看待计算机。
　　与计算机科学的所有领域一样，计算机体系结构也随着指令集设计、指令级并行（ILP）、Cache缓存技术、总线系统、猜测执行、多核计算等技术的发展而飞速进步。本书将讨论所有这些话题。
　　计算机体系结构是计算机科学的基石。例如，计算机性能在今天的重要性超过了以往任何时候，为了做出最佳选择，即便是那些购买个人电脑的用户也必须了解计算机系统的结构。

数据结构与算法：高效计算的基石 本书深入探讨了计算机科学的核心领域——数据结构与算法。作为理解和构建高效计算机系统的基石，数据结构为信息的组织和存储提供了多种模型，而算法则是处理和操作这些数据的精确指令集。本书旨在为读者建立扎实的理论基础，并掌握在实际问题中选择和应用最合适的数据结构与算法的能力，从而设计出性能优越、可扩展性强的软件解决方案。 第一部分：数据结构的奥秘 本部分将从最基本的数据组织形式出发，逐步深入到更复杂、更抽象的数据结构。我们将以清晰的逻辑和详实的示例，解析每种数据结构的内在原理、特性以及适用场景。 第一章：线性数据结构 数组 (Arrays): 作为最基本的数据结构，数组提供了一种在内存中连续存储相同类型元素的方式。我们将详细介绍数组的创建、访问、插入和删除操作的时间复杂度，并讨论静态数组和动态数组的区别。示例将涵盖如何使用数组实现查找表、栈和队列等基本操作。 链表 (Linked Lists): 链表与数组不同，其元素在内存中可以不连续存储，通过指针连接。我们将深入探讨单向链表、双向链表和循环链表的结构特点，以及它们在插入、删除和遍历等操作上的优势。通过对比链表和数组，读者将能更好地理解在不同场景下选择哪种数据结构更为合适。 栈 (Stacks): 栈是一种遵循“后进先出”（LIFO）原则的数据结构。本书将介绍栈的抽象数据类型（ADT）定义，并展示如何使用数组和链表来实现栈。我们将深入分析栈在函数调用、表达式求值和回溯算法等方面的应用，例如深度优先搜索（DFS）的实现。 队列 (Queues): 队列则遵循“先进先出”（FIFO）原则。我们将讲解队列的ADT，以及其在数组和链表上的实现。队列在任务调度、缓冲区管理和广度优先搜索（BFS）等算法中扮演着关键角色。 第二章：非线性数据结构 树 (Trees): 树是一种层次结构的数据结构，由节点和边组成，具有广泛的应用。我们将从基本概念出发，讲解树的定义、术语（如根节点、父节点、子节点、叶子节点）以及遍历方法（前序、中序、后序）。 二叉树 (Binary Trees): 作为最常见的树结构，二叉树的每个节点最多有两个子节点。我们将深入研究二叉搜索树（BST），包括其插入、删除、查找操作的原理和时间复杂度。此外，我们将探讨平衡二叉搜索树（如AVL树、红黑树）如何通过自平衡机制来保证高效的查找和修改性能。 堆 (Heaps): 堆是一种特殊的完全二叉树，满足堆属性（最大堆或最小堆）。我们将讲解堆的构建、插入和删除操作，并重点介绍堆在优先队列（Priority Queues）和堆排序中的应用。 图 (Graphs): 图是一种更通用的非线性结构，由顶点（节点）和连接顶点的边组成。我们将定义图的基本术语，如无向图、有向图、加权图、连通分量等。 图的表示: 详细介绍邻接矩阵和邻接表两种表示方法，并分析它们的优缺点。 图的遍历: 深入讲解广度优先搜索（BFS）和深度优先搜索（DFS）算法，并提供相应的图解和代码示例。 图的经典算法: 介绍最短路径算法（如Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法）、最小生成树算法（如Prim算法、Kruskal算法）等，并分析其实现原理和应用场景。 第三章：哈希表 (Hash Tables) 哈希表是一种高效的数据结构，通过哈希函数将键映射到存储位置，实现快速的插入、删除和查找。我们将详细讲解哈希函数的选择原则，以及冲突解决方法，如链地址法（Separate Chaining）和开放地址法（Open Addressing，包括线性探测、二次探测和双重哈希）。本书将通过实例说明哈希表在字典、缓存和数据库索引等方面的广泛应用，并分析其平均和最坏情况下的时间复杂度。 第二部分：算法的艺术 本部分将聚焦于算法的设计、分析和优化。我们将从算法的基本概念出发，探索各种经典的算法设计范式，并深入理解算法的时间复杂度和空间复杂度分析方法。 第四章：算法分析基础 渐进分析 (Asymptotic Analysis): 掌握大O符号（O）、大Ω符号（Ω）和大Θ符号（Θ）的概念，用于描述算法的增长率和性能上界、下界和紧界。 时间复杂度和空间复杂度: 学习如何分析算法在最坏情况、最好情况和平均情况下的时间消耗和内存占用。 递归和分治: 理解递归的思想，并学习如何分析递归算法的复杂度（如主定理）。 第五章：算法设计范式 分治法 (Divide and Conquer): 学习如何将问题分解为更小的子问题，独立解决后再将结果合并。经典示例包括归并排序（Merge Sort）和快速排序（Quick Sort）。 动态规划 (Dynamic Programming): 探索如何通过存储子问题的解来避免重复计算，从而解决具有重叠子问题和最优子结构的问题。我们将学习如何识别动态规划问题，并设计状态转移方程。经典示例包括斐波那契数列、背包问题和最长公共子序列。 贪心算法 (Greedy Algorithms): 学习如何通过每一步做出局部最优选择来期望获得全局最优解。我们将分析贪心算法的适用条件，并举例说明其在活动选择问题、霍夫曼编码等方面的应用。 回溯法 (Backtracking): 学习如何通过系统地搜索所有可能的解决方案来解决问题，并在发现某个路径无法通向有效解时进行“回溯”。示例将涵盖N皇后问题和迷宫求解。 第六章：排序与搜索算法 排序算法: 简单排序: 冒泡排序、选择排序、插入排序。分析它们的原理和时间复杂度。 高效排序: 归并排序、快速排序。深入讲解其分治思想和实现细节，以及在不同情况下的性能表现。 其他排序: 堆排序、计数排序、基数排序。介绍它们的特定应用场景和效率。 搜索算法: 线性搜索: 遍历整个数据结构查找目标元素。 二分搜索 (Binary Search): 在有序数据结构中进行高效查找，分析其对数时间复杂度。 第七章：图算法进阶 最短路径算法: Dijkstra算法: 求解单源最短路径问题（非负权边）。 Bellman-Ford算法: 求解单源最短路径问题（可带负权边），并检测负权回路。 Floyd-Warshall算法: 求解所有顶点对之间的最短路径。 最小生成树算法: Prim算法: 找到连接图中所有顶点的最小权重生成树。 Kruskal算法: 另一种求解最小生成树的方法，基于边的权重排序。 拓扑排序 (Topological Sort): 针对有向无环图（DAG）的顶点进行排序，使得对于任何有向边 u -> v，u 都排在 v 之前。 第八章：字符串算法与模式匹配 字符串匹配: 朴素字符串匹配: 简单的比较方法。 KMP算法 (Knuth-Morris-Pratt): 改进的字符串匹配算法，利用前缀和后缀信息避免不必要的比较。 Rabin-Karp算法: 基于哈希函数进行字符串匹配。 其他字符串处理: 简要介绍如编辑距离、最长公共前缀等相关概念。 学习本书将使您能够： 深刻理解各种数据结构的内在机制和优劣势。 能够根据具体问题场景，选择最适合的数据结构来组织和管理信息。 掌握多种经典的算法设计范式，并能灵活运用它们来解决实际计算问题。 熟练分析算法的时间和空间复杂度，从而优化程序性能。 构建出高效、可靠且可扩展的软件系统。 本书适用于计算机科学专业的学生、软件工程师以及任何对提升算法和数据结构能力感兴趣的读者。通过理论与实践相结合的学习，您将为在计算机科学领域取得更大的成就打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题真是引人入胜，"计算机科学丛书：计算机存储与外设" 听起来就像是一本能够深入浅出讲解计算机核心运作机制的宝典。我一直对计算机的底层原理充满好奇，尤其是在如今信息爆炸的时代，了解数据是如何被存储、如何被处理，以及我们日常使用的各种外设（比如闪存盘、固态硬盘，甚至是打印机）是如何与计算机进行交互的，感觉就像是掌握了打开数字世界大门的钥匙。这本书的出现，让我觉得终于有机会系统地学习这方面的知识，不再仅仅停留在“会用”的层面，而是能理解“为什么”和“怎么做”。我期待这本书能够带领我穿越复杂的二进制代码，直观地认识到存储器的工作原理，比如DRAM和SRAM的区别，以及它们各自的应用场景。同时，对于各种接口技术，如USB、SATA、NVMe等等，我也是非常好奇，想知道它们是如何实现高速数据传输的，以及它们背后蕴含的技术革新。这本书的定位似乎很高，但又冠以“丛书”之名，这让我对内容的深度和广度都充满了期待，希望能获得一个扎实的计算机基础知识体系，为我未来的学习和工作打下坚实的基础，也许还能帮助我更好地理解云计算、大数据等前沿技术背后的支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本书的另一半标题，“计算机组织与体系结构：主题与变奏”，更是点燃了我对计算机系统设计哲学的好奇心。我总觉得，每一款计算机的诞生，背后都凝聚着无数工程师的智慧和权衡。从CPU的设计到内存的管理，再到I/O设备的集成，每一个环节都充满了“主题”和“变奏”。“主题”可能代表着某些经典的设计思想和核心概念，而“变奏”则反映了不同厂商、不同时代、不同应用场景下产生的各种创新和优化。我想这本书一定不会拘泥于某个单一的体系结构，而是会探讨不同设计思路的优劣，例如RISC与CISC的演进，多核处理器的并行计算策略，缓存一致性问题以及如何在高并发环境下保持数据完整性。我对这本书如何解释这些“变奏”尤其感兴趣，比如，为什么不同的处理器架构会衍生出不同的指令集？固态硬盘是如何在保持速度的同时，解决擦写寿命的问题？这些看似细枝末节的设计，往往是决定计算机性能和效率的关键。我希望这本书能给我一个宏观的视角，让我能够理解计算机硬件的“前世今生”，并从中体会到计算机科学领域不断探索和突破的魅力，甚至从中获得一些启示，去思考未来计算机体系结构的可能发展方向，或许能为解决某些瓶颈问题提供新的思路。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，理解计算机的存储和外设，是理解整个计算机科学领域的基础，没有它们，我们所熟知的软件和应用都将无从谈起。这本书的封面和书名传递出的专业感，让我感到非常安心。我希望这本书能够提供一种循序渐进的学习路径，从最基础的存储单元概念讲起，逐渐深入到复杂的存储层次结构，比如高速缓存（Cache）、主内存（RAM）和辅助存储（如硬盘、SSD）。我相信，对于“存储”的理解，不仅仅是知道它们是什么，更重要的是理解它们是如何工作的，它们的速度、容量、成本之间是如何权衡的，以及它们在整个计算机系统中扮演的角色。当我看到“外设”这个词时，我脑海中立刻浮现出各种各样与计算机连接的设备，从键盘鼠标到打印机，再到各种传感器和接口卡。我特别希望能了解这些外设是如何通过标准化的接口与计算机进行通信的，比如中断机制、DMA（直接内存访问）等等，以及这些通信方式的效率和特点。这本书能否用清晰的图示和详实的案例来解释这些概念，是我非常期待的，因为它决定了我能否真正地将理论知识内化为自己的理解，并应用于实际问题中。

评分☆☆☆☆☆

我注意到这本书的副标题是“主题与变奏”，这让我联想到音乐中的赋格和变奏曲。这种比喻让我觉得，这本书在讲解计算机组织和体系结构时，可能不会采取枯燥的堆砌事实的方式，而是会围绕一些核心的“主题”（例如，指令集架构、内存管理、I/O模式），然后深入探讨在不同的历史时期、不同的技术条件下，这些主题是如何发展出各种各样的“变奏”。我非常欣赏这种“变奏”式的研究方法，因为它可以让我们看到计算机科学并非一成不变，而是在不断演进和优化的过程中。我期待这本书能够引导我理解，为什么早期的计算机采用特定的指令集，而现代的处理器又为何会发展出更复杂的指令集，或者又回归到精简指令集。我也希望它能解释，在不同的操作系统环境下，内存管理策略是如何变化的，以及为何会有虚拟内存这样的概念出现。对于外设的部分，我希望它能通过对比不同的接口技术，比如早期的并行接口和现在的串行接口，来展现技术进步带来的显著改变。这种多角度、多维度的解析方式，一定会让我对计算机的内部运作有一个更全面、更深刻的认识，并且能够体会到不同设计选择所带来的影响。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题，“计算机科学丛书：计算机存储与外设”，让我立刻产生了浓厚的兴趣。作为一名对计算机技术充满热情的人，我一直渴望能深入理解计算机硬件是如何工作的，尤其是在“存储”和“外设”这两个至关重要的领域。我希望这本书能够提供一个清晰而详尽的讲解，从最底层的二进制数据存储方式，到更复杂的存储设备，例如硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）以及各种形式的内存（RAM、ROM）。我特别想了解它们的工作原理、性能特点、以及在不同应用场景下的优缺点。此外，“外设”这个词也勾起了我的好奇心，我希望能在这本书中找到关于各种输入输出设备（如键盘、鼠标、显示器、打印机、网络接口卡等）如何与计算机进行数据交换的详细解释。我期待这本书能够用通俗易懂的语言，配以丰富的图解和生动的案例，来阐释这些复杂的技术概念，让我能够真正理解计算机硬件的“骨骼”和“神经系统”。如果这本书能帮助我理解这些基础知识，我将能够更好地理解更高级的计算机概念，并为我今后在计算机科学领域的深入学习打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

好书

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计算机组成原理三剑客之二，很薄很精炼

评分☆☆☆☆☆

十分好用，性价比特别高，棒！

评分☆☆☆☆☆

看完再来评论，纸张差了点，比我买的盗版的略次，物流慢了一天……

评分☆☆☆☆☆

物流给力

评分☆☆☆☆☆

这本书很薄很薄，世界关于计算机存储与外设方面的书，有一个基本的介绍吧，没什么太多内容

评分☆☆☆☆☆

十分好用，性价比特别高，棒！

评分☆☆☆☆☆

物流给力

评分☆☆☆☆☆

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