計算機科學叢書：計算機存儲與外設 [Computer Organization and Architecture：Themes and Variations] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[英] 艾倫·剋萊門茨（Alan Clements） 著，瀋立，肖曉強，王蘇峰 譯

圖書標籤:

• 計算機科學
• 計算機體係結構
• 存儲係統
• 外設
• 計算機組成原理
• 數字邏輯
• 匯編語言
• 硬件設計
• 性能分析
• 並行計算

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111557487

版次：1

商品編碼：12057557

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 計算機科學叢書

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

開本：16開

齣版時間：2017-03-01

用紙：

內容簡介

　　《計算機科學叢書：計算機存儲與外設》由資深的計算機體係結構教育傢Alan Clements博士編寫，原書名為《計算機體係結構：原理與演變》（Computer Organization＆Architecture：Themes and Variations），書中不僅覆蓋單機係統的組成原理和係統結構的各個方麵，還包括計算機的性能評價方法以及多發射、粗粒度並行等內容、作者希望《計算機科學叢書：計算機存儲與外設》能夠適閤電子工程（EE）、電子與計算機工程（ECE）、計算機科學（CS）等不同專業的教學需要。、書中圍繞基本概念、指令集體係結構、處理器組成和能效、存儲與外設以及處理器級並行等五個核心問題將這些內容有條不紊地組織在一起，以便滿足不同專業的教學需要。
　　中文版引進的時候綜閤考慮國內高校“計算機組成與結構”或類似課程的教學目標以及我們對《計算機科學叢書：計算機存儲與外設》的定位，對原書進行瞭適當裁剪和重新組閤，分為兩冊：《計算機組成原理》和《計算機存儲與外設》。
　　《計算機科學叢書：計算機存儲與外設》即為《計算機存儲與外設》，涵蓋原書第四部分，共4章，主要講述計算機係統中的存儲器、總綫和輸入／輸齣等內容。

作者簡介

　　艾倫·剋萊門茨（Alan Clements）國際著名的計算機體係結構教育的推動者和踐行者。他於1997年獲得英國拉夫堡大學（Loughborough University）博士學位，隨後加入提賽德大學（University of Teesside）計算機科學係。在20世紀70～80年代，他編寫瞭兩本計算機體係結構領域的重要教材：《計算機硬件原理》（The Principles of Computer Hardware）和《微處理器係統設計》（Microprocessor Systems Design）。
　　2001年，他擔任瞭計算機學會國際學生競賽（CSIDC）主席，並於同年獲得英國國傢教學奬（National Teaching Fellowship）。由於在計算機體係結構教育方麵的貢獻，他於2002年獲得IEEECS本科教學奬，2006年獲得IEEECS泰勒布斯教育奬（Taylor L.Booth award）。2009年被選為IEEEFellow.，他在IEEE計算機學會擔任瞭多個職務，並積極參加課程體係設計，撰寫瞭關於未來計算機體係結構教育的論文，參加瞭CS/ACM2001計算課程體係的編寫和製定工作。2010年Alan Clements從全職教學崗位退休。

內頁插圖

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
本書導讀
作者簡介
第1章　Cache存儲器和虛擬存儲器
1．1　Cache存儲器概述
1．1．1　Cache存儲器的結構
1．2　Cache存儲器的性能
1．3　Cache的組織
1．3．1　全相聯映射Cache
1．3．2　直接映射Cache
1．3．3　組相聯Cache
1．3．4　僞相聯、Victim、Annex和Trace Cache
1．4　Cache設計中要考慮的因素
1．4．1　物理Cache和邏輯Cache
1．4．2　Cache電氣特性
1．4．3　Cache一緻性
1．4．4　塊大小
1．4．5　取指策略
1．4．6　多級Cache
1．4．7　指令和數據Cache
1．4．8　寫Cache
1．5　虛擬存儲器和存儲器管理
1．5．1　存儲器管理
1．5．2　虛擬存儲器
本章小結
習題

第2章　主存儲器
2．1　簡介
2．1．1　存儲係統的原理和參數
2．1．2　存儲層次
2．2　主存儲器
2．2．1　SRAM
2．2．2　交叉存儲器
2．3　DRAM
2．3．1　DRAM時序
2．3．2　DRAM技術的發展
2．4　隻讀存儲器係列
2．4．1　EPROM係列
2．5　新興的非易失性技術
2．5．1　鐵電遲滯
2．5．2　MRAM——磁阻隨機訪問存儲器
2．5．3　雙嚮存儲器
本章小結
習題

第3章　二級存儲器
3．1　磁盤驅動器
3．2　磁性和數據存儲
3．2．1　讀/寫頭
3．2．2　磁記錄密度的極限
3．2．3　磁盤數據記錄原理
3．3　磁盤上的數據組織
3．3．1　磁道和扇區
3．3．2　磁盤參數和性能
3．3．3　SMART技術
3．4　安全存儲和RAID係統
3．5　固態盤
3．6　磁帶
3．7　光學存儲技術
3．7．1　數字音頻
3．7．2　從CD中讀取數據
3．7．3　底層數據編碼
3．7．4　可記錄光盤
3．7．5　DVD
3．7．6　藍光
本章小結
習題

第4章　輸入/輸齣
4．1　I/O的基本原理
4．1．1　外圍設備寄存器尋址機製
4．1．2　外圍設備訪問和總綫寬度
4．2　數據傳輸
4．2．1　開環數據傳輸
4．2．2　閉環數據傳輸
4．2．3　緩衝數據
4．3　I/O策略
4．3．1　程序控製I/O
4．3．2　中斷驅動I/O
4．3．3　直接存儲器訪問
4．4　I/O係統的性能
4．5　總綫
4．5．1　總綫結構和拓撲
4．5．2　總綫的結構
4．6　總綫仲裁
4．6．1　本地化仲裁和VMEbus
4．6．2　分布式仲裁
4．7　PCI和PCIe總綫
4．7．1　PCI總綫
4．7．2　PCIe總綫
4．7．3　CardBus、PC卡和ExpressCard
4．8　SCSI和SAS接口
4．9　串行接口總綫
4．9．1　以太網
4．9．2　FireWire 1394串行總綫
4．9．3　USB
本章小結
習題
參考文獻

前言/序言

　　21世紀是科學和技術奇跡頻齣的時代。計算機已經做到瞭人們期望它做到的一切——甚至更多。生物工程解開瞭細胞的秘密，使科學傢能夠閤成10年前無法想象的新藥。納米技術讓人們有機會窺探微觀世界，將計算機革命與原子工程結閤在一起創造齣的納米機器人，也許有一天能夠植入人體，修復人體內部的創傷。普適計算帶來瞭手機、MP3播放器和數碼相機，使人們彼此之間能夠通過Internet保持聯係。計算機是幾乎所有現代技術的核心。本書將闡述計算機是如何工作的。
　　從20世紀50年代起大學就開始教授這門被稱為計算的學科瞭。一開始，大型機主導瞭計算，這個學科包括對計算機本身、控製計算機的操作係統、語言和它們的編譯器、數據庫以及商業計算等的研究。此後，計算的發展呈指數增長，到現在已包含多個不同的領域，任何一所大學都不可能完全覆蓋這些領域。人們不得不將注意力集中在計算的基本要素上。這一學科的核心在於機器本身：計算機。當然，作為一個理論概念，計算可以脫離計算機而獨立存在。實際上，在20世紀三四十年代計算機革命開始之前，人們已經進行瞭相當多的關於計算機的科學理論基礎的研究工作。然而，計算在過去40年裏的發展方式與微處理器的崛起緊密聯係在一起。如果人們無法擁有價格非常便宜的計算機，Internet也無法按照它已有的軌跡取得成功。
　　由於計算機本身對計算的發展及其發展方嚮産生瞭巨大影響，在計算的課程體係中包含一門有關計算機如何工作的課程是非常閤理的。大學裏計算機科學或計算機工程方嚮的培養方案中都會有這樣一門課程。實際上，專業和課程的認證機構都將計算機體係結構作為一項核心要求。比如，計算機體係結構就是IEEE計算機協會和ACM聯閤發布的計算學科課程體係的中心內容。
　　介紹計算機具體體現與實現的課程有各種各樣的名字。有人將它們叫作硬件課，有人管它們叫作計算機體係結構，還有人把它們叫作計算機組成（以及它們之間的各種組閤）。本書用計算機體係結構錶示這門研究計算機設計方法和運行方式的課程。當然，我會解釋為什麼這門課程有那麼多不同的名字，並會指齣可以用不同的方式來看待計算機。
　　與計算機科學的所有領域一樣，計算機體係結構也隨著指令集設計、指令級並行（ILP）、Cache緩存技術、總綫係統、猜測執行、多核計算等技術的發展而飛速進步。本書將討論所有這些話題。
　　計算機體係結構是計算機科學的基石。例如，計算機性能在今天的重要性超過瞭以往任何時候，為瞭做齣最佳選擇，即便是那些購買個人電腦的用戶也必須瞭解計算機係統的結構。

數據結構與算法：高效計算的基石 本書深入探討瞭計算機科學的核心領域——數據結構與算法。作為理解和構建高效計算機係統的基石，數據結構為信息的組織和存儲提供瞭多種模型，而算法則是處理和操作這些數據的精確指令集。本書旨在為讀者建立紮實的理論基礎，並掌握在實際問題中選擇和應用最閤適的數據結構與算法的能力，從而設計齣性能優越、可擴展性強的軟件解決方案。 第一部分：數據結構的奧秘 本部分將從最基本的數據組織形式齣發，逐步深入到更復雜、更抽象的數據結構。我們將以清晰的邏輯和詳實的示例，解析每種數據結構的內在原理、特性以及適用場景。 第一章：綫性數據結構 數組 (Arrays): 作為最基本的數據結構，數組提供瞭一種在內存中連續存儲相同類型元素的方式。我們將詳細介紹數組的創建、訪問、插入和刪除操作的時間復雜度，並討論靜態數組和動態數組的區彆。示例將涵蓋如何使用數組實現查找錶、棧和隊列等基本操作。 鏈錶 (Linked Lists): 鏈錶與數組不同，其元素在內存中可以不連續存儲，通過指針連接。我們將深入探討單嚮鏈錶、雙嚮鏈錶和循環鏈錶的結構特點，以及它們在插入、刪除和遍曆等操作上的優勢。通過對比鏈錶和數組，讀者將能更好地理解在不同場景下選擇哪種數據結構更為閤適。 棧 (Stacks): 棧是一種遵循“後進先齣”（LIFO）原則的數據結構。本書將介紹棧的抽象數據類型（ADT）定義，並展示如何使用數組和鏈錶來實現棧。我們將深入分析棧在函數調用、錶達式求值和迴溯算法等方麵的應用，例如深度優先搜索（DFS）的實現。 隊列 (Queues): 隊列則遵循“先進先齣”（FIFO）原則。我們將講解隊列的ADT，以及其在數組和鏈錶上的實現。隊列在任務調度、緩衝區管理和廣度優先搜索（BFS）等算法中扮演著關鍵角色。 第二章：非綫性數據結構 樹 (Trees): 樹是一種層次結構的數據結構，由節點和邊組成，具有廣泛的應用。我們將從基本概念齣發，講解樹的定義、術語（如根節點、父節點、子節點、葉子節點）以及遍曆方法（前序、中序、後序）。 二叉樹 (Binary Trees): 作為最常見的樹結構，二叉樹的每個節點最多有兩個子節點。我們將深入研究二叉搜索樹（BST），包括其插入、刪除、查找操作的原理和時間復雜度。此外，我們將探討平衡二叉搜索樹（如AVL樹、紅黑樹）如何通過自平衡機製來保證高效的查找和修改性能。 堆 (Heaps): 堆是一種特殊的完全二叉樹，滿足堆屬性（最大堆或最小堆）。我們將講解堆的構建、插入和刪除操作，並重點介紹堆在優先隊列（Priority Queues）和堆排序中的應用。 圖 (Graphs): 圖是一種更通用的非綫性結構，由頂點（節點）和連接頂點的邊組成。我們將定義圖的基本術語，如無嚮圖、有嚮圖、加權圖、連通分量等。 圖的錶示: 詳細介紹鄰接矩陣和鄰接錶兩種錶示方法，並分析它們的優缺點。 圖的遍曆: 深入講解廣度優先搜索（BFS）和深度優先搜索（DFS）算法，並提供相應的圖解和代碼示例。 圖的經典算法: 介紹最短路徑算法（如Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法）、最小生成樹算法（如Prim算法、Kruskal算法）等，並分析其實現原理和應用場景。 第三章：哈希錶 (Hash Tables) 哈希錶是一種高效的數據結構，通過哈希函數將鍵映射到存儲位置，實現快速的插入、刪除和查找。我們將詳細講解哈希函數的選擇原則，以及衝突解決方法，如鏈地址法（Separate Chaining）和開放地址法（Open Addressing，包括綫性探測、二次探測和雙重哈希）。本書將通過實例說明哈希錶在字典、緩存和數據庫索引等方麵的廣泛應用，並分析其平均和最壞情況下的時間復雜度。 第二部分：算法的藝術 本部分將聚焦於算法的設計、分析和優化。我們將從算法的基本概念齣發，探索各種經典的算法設計範式，並深入理解算法的時間復雜度和空間復雜度分析方法。 第四章：算法分析基礎 漸進分析 (Asymptotic Analysis): 掌握大O符號（O）、大Ω符號（Ω）和大Θ符號（Θ）的概念，用於描述算法的增長率和性能上界、下界和緊界。 時間復雜度和空間復雜度: 學習如何分析算法在最壞情況、最好情況和平均情況下的時間消耗和內存占用。 遞歸和分治: 理解遞歸的思想，並學習如何分析遞歸算法的復雜度（如主定理）。 第五章：算法設計範式 分治法 (Divide and Conquer): 學習如何將問題分解為更小的子問題，獨立解決後再將結果閤並。經典示例包括歸並排序（Merge Sort）和快速排序（Quick Sort）。 動態規劃 (Dynamic Programming): 探索如何通過存儲子問題的解來避免重復計算，從而解決具有重疊子問題和最優子結構的問題。我們將學習如何識彆動態規劃問題，並設計狀態轉移方程。經典示例包括斐波那契數列、背包問題和最長公共子序列。 貪心算法 (Greedy Algorithms): 學習如何通過每一步做齣局部最優選擇來期望獲得全局最優解。我們將分析貪心算法的適用條件，並舉例說明其在活動選擇問題、霍夫曼編碼等方麵的應用。 迴溯法 (Backtracking): 學習如何通過係統地搜索所有可能的解決方案來解決問題，並在發現某個路徑無法通嚮有效解時進行“迴溯”。示例將涵蓋N皇後問題和迷宮求解。 第六章：排序與搜索算法 排序算法: 簡單排序: 冒泡排序、選擇排序、插入排序。分析它們的原理和時間復雜度。 高效排序: 歸並排序、快速排序。深入講解其分治思想和實現細節，以及在不同情況下的性能錶現。 其他排序: 堆排序、計數排序、基數排序。介紹它們的特定應用場景和效率。 搜索算法: 綫性搜索: 遍曆整個數據結構查找目標元素。 二分搜索 (Binary Search): 在有序數據結構中進行高效查找，分析其對數時間復雜度。 第七章：圖算法進階 最短路徑算法: Dijkstra算法: 求解單源最短路徑問題（非負權邊）。 Bellman-Ford算法: 求解單源最短路徑問題（可帶負權邊），並檢測負權迴路。 Floyd-Warshall算法: 求解所有頂點對之間的最短路徑。 最小生成樹算法: Prim算法: 找到連接圖中所有頂點的最小權重生成樹。 Kruskal算法: 另一種求解最小生成樹的方法，基於邊的權重排序。 拓撲排序 (Topological Sort): 針對有嚮無環圖（DAG）的頂點進行排序，使得對於任何有嚮邊 u -> v，u 都排在 v 之前。 第八章：字符串算法與模式匹配 字符串匹配: 樸素字符串匹配: 簡單的比較方法。 KMP算法 (Knuth-Morris-Pratt): 改進的字符串匹配算法，利用前綴和後綴信息避免不必要的比較。 Rabin-Karp算法: 基於哈希函數進行字符串匹配。 其他字符串處理: 簡要介紹如編輯距離、最長公共前綴等相關概念。 學習本書將使您能夠： 深刻理解各種數據結構的內在機製和優劣勢。 能夠根據具體問題場景，選擇最適閤的數據結構來組織和管理信息。 掌握多種經典的算法設計範式，並能靈活運用它們來解決實際計算問題。 熟練分析算法的時間和空間復雜度，從而優化程序性能。 構建齣高效、可靠且可擴展的軟件係統。 本書適用於計算機科學專業的學生、軟件工程師以及任何對提升算法和數據結構能力感興趣的讀者。通過理論與實踐相結閤的學習，您將為在計算機科學領域取得更大的成就打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題，“計算機科學叢書：計算機存儲與外設”，讓我立刻産生瞭濃厚的興趣。作為一名對計算機技術充滿熱情的人，我一直渴望能深入理解計算機硬件是如何工作的，尤其是在“存儲”和“外設”這兩個至關重要的領域。我希望這本書能夠提供一個清晰而詳盡的講解，從最底層的二進製數據存儲方式，到更復雜的存儲設備，例如硬盤驅動器（HDD）、固態硬盤（SSD）以及各種形式的內存（RAM、ROM）。我特彆想瞭解它們的工作原理、性能特點、以及在不同應用場景下的優缺點。此外，“外設”這個詞也勾起瞭我的好奇心，我希望能在這本書中找到關於各種輸入輸齣設備（如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、網絡接口卡等）如何與計算機進行數據交換的詳細解釋。我期待這本書能夠用通俗易懂的語言，配以豐富的圖解和生動的案例，來闡釋這些復雜的技術概念，讓我能夠真正理解計算機硬件的“骨骼”和“神經係統”。如果這本書能幫助我理解這些基礎知識，我將能夠更好地理解更高級的計算機概念，並為我今後在計算機科學領域的深入學習打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

我一直認為，理解計算機的存儲和外設，是理解整個計算機科學領域的基礎，沒有它們，我們所熟知的軟件和應用都將無從談起。這本書的封麵和書名傳遞齣的專業感，讓我感到非常安心。我希望這本書能夠提供一種循序漸進的學習路徑，從最基礎的存儲單元概念講起，逐漸深入到復雜的存儲層次結構，比如高速緩存（Cache）、主內存（RAM）和輔助存儲（如硬盤、SSD）。我相信，對於“存儲”的理解，不僅僅是知道它們是什麼，更重要的是理解它們是如何工作的，它們的速度、容量、成本之間是如何權衡的，以及它們在整個計算機係統中扮演的角色。當我看到“外設”這個詞時，我腦海中立刻浮現齣各種各樣與計算機連接的設備，從鍵盤鼠標到打印機，再到各種傳感器和接口卡。我特彆希望能瞭解這些外設是如何通過標準化的接口與計算機進行通信的，比如中斷機製、DMA（直接內存訪問）等等，以及這些通信方式的效率和特點。這本書能否用清晰的圖示和詳實的案例來解釋這些概念，是我非常期待的，因為它決定瞭我能否真正地將理論知識內化為自己的理解，並應用於實際問題中。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題真是引人入勝，"計算機科學叢書：計算機存儲與外設" 聽起來就像是一本能夠深入淺齣講解計算機核心運作機製的寶典。我一直對計算機的底層原理充滿好奇，尤其是在如今信息爆炸的時代，瞭解數據是如何被存儲、如何被處理，以及我們日常使用的各種外設（比如閃存盤、固態硬盤，甚至是打印機）是如何與計算機進行交互的，感覺就像是掌握瞭打開數字世界大門的鑰匙。這本書的齣現，讓我覺得終於有機會係統地學習這方麵的知識，不再僅僅停留在“會用”的層麵，而是能理解“為什麼”和“怎麼做”。我期待這本書能夠帶領我穿越復雜的二進製代碼，直觀地認識到存儲器的工作原理，比如DRAM和SRAM的區彆，以及它們各自的應用場景。同時，對於各種接口技術，如USB、SATA、NVMe等等，我也是非常好奇，想知道它們是如何實現高速數據傳輸的，以及它們背後蘊含的技術革新。這本書的定位似乎很高，但又冠以“叢書”之名，這讓我對內容的深度和廣度都充滿瞭期待，希望能獲得一個紮實的計算機基礎知識體係，為我未來的學習和工作打下堅實的基礎，也許還能幫助我更好地理解雲計算、大數據等前沿技術背後的支撐。

評分☆☆☆☆☆

我注意到這本書的副標題是“主題與變奏”，這讓我聯想到音樂中的賦格和變奏麯。這種比喻讓我覺得，這本書在講解計算機組織和體係結構時，可能不會采取枯燥的堆砌事實的方式，而是會圍繞一些核心的“主題”（例如，指令集架構、內存管理、I/O模式），然後深入探討在不同的曆史時期、不同的技術條件下，這些主題是如何發展齣各種各樣的“變奏”。我非常欣賞這種“變奏”式的研究方法，因為它可以讓我們看到計算機科學並非一成不變，而是在不斷演進和優化的過程中。我期待這本書能夠引導我理解，為什麼早期的計算機采用特定的指令集，而現代的處理器又為何會發展齣更復雜的指令集，或者又迴歸到精簡指令集。我也希望它能解釋，在不同的操作係統環境下，內存管理策略是如何變化的，以及為何會有虛擬內存這樣的概念齣現。對於外設的部分，我希望它能通過對比不同的接口技術，比如早期的並行接口和現在的串行接口，來展現技術進步帶來的顯著改變。這種多角度、多維度的解析方式，一定會讓我對計算機的內部運作有一個更全麵、更深刻的認識，並且能夠體會到不同設計選擇所帶來的影響。

評分☆☆☆☆☆

這本書的另一半標題，“計算機組織與體係結構：主題與變奏”，更是點燃瞭我對計算機係統設計哲學的好奇心。我總覺得，每一款計算機的誕生，背後都凝聚著無數工程師的智慧和權衡。從CPU的設計到內存的管理，再到I/O設備的集成，每一個環節都充滿瞭“主題”和“變奏”。“主題”可能代錶著某些經典的設計思想和核心概念，而“變奏”則反映瞭不同廠商、不同時代、不同應用場景下産生的各種創新和優化。我想這本書一定不會拘泥於某個單一的體係結構，而是會探討不同設計思路的優劣，例如RISC與CISC的演進，多核處理器的並行計算策略，緩存一緻性問題以及如何在高並發環境下保持數據完整性。我對這本書如何解釋這些“變奏”尤其感興趣，比如，為什麼不同的處理器架構會衍生齣不同的指令集？固態硬盤是如何在保持速度的同時，解決擦寫壽命的問題？這些看似細枝末節的設計，往往是決定計算機性能和效率的關鍵。我希望這本書能給我一個宏觀的視角，讓我能夠理解計算機硬件的“前世今生”，並從中體會到計算機科學領域不斷探索和突破的魅力，甚至從中獲得一些啓示，去思考未來計算機體係結構的可能發展方嚮，或許能為解決某些瓶頸問題提供新的思路。

評分☆☆☆☆☆

內容詳細，非常有用。

評分☆☆☆☆☆

這本書很薄很薄，世界關於計算機存儲與外設方麵的書，有一個基本的介紹吧，沒什麼太多內容

評分☆☆☆☆☆

內容詳細，非常有用。

評分☆☆☆☆☆

不錯，看完瞭再迴來補充反饋！

評分☆☆☆☆☆

看完再來評論，紙張差瞭點，比我買的盜版的略次，物流慢瞭一天……

評分☆☆☆☆☆

書的質量不錯

評分☆☆☆☆☆

計算機組成原理的補充書籍。

評分☆☆☆☆☆

計算機組成原理的補充書籍。

評分☆☆☆☆☆

計算機組成原理的補充書籍。