计算机体系结构教学与习题指导（第2版） pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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张春元，罗莉，肖晓强著

图书标签:

计算机体系结构
教学
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计算机科学
高等教育
教材
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系统设计
数字逻辑

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出版社：清华大学出版社

ISBN：9787302448433

版次：2

商品编码：12002471

包装：平装

丛书名：计算机系列教材

开本：16开

出版时间：2016-10-01

用纸：胶版纸

页数：243

字数：380000

正文语种：中文

具体描述

编辑推荐

　　配套教程：

本书由国防科技大学“计算机体系结构”课程教学团队编著而成，该课程是国内首批的国家精品课程。本书与《计算机体系结构（第2版）》和《计算机体系结构实验（第2版）》3本配套教材同时被评为“十二五”普通高等教育国家级规划教材，也是国家精品课程配套教材。该教材体现了作者多年来在国防科技大学从事计算机体系结构课程教学和科研的丰富积累。本书内容新颖、充实，结构清晰、完整，文字通俗、简洁。各章按教学指南、主要内容、例题、习题及参考答案4个部分。教学指南对每一章学习内容进行总结，理清学习的重点、要点、难点和范围。主要内容包括每一章的基本理论、基本概念、基本公式、基本方法等内容摘要，对每一章的主要内容进行总结，检查每一章基本内容的掌握情况。例题对课程中的典型习题进行指导性分析，重在题目类型、解题方法、解题思路和解题要点，学生也可以根据这一部分的内容对照检查自己的学习情况，检查自己计算机系统结构的解题能力。

　　总之，该教材内容先进、结构严谨、重点突出、语言流畅、通俗易懂、难度适中，系统性、完整性和严谨性好，理论与实践紧密结合，强化系统能力、实践能力培养，配套的教学资源丰富，便于教师讲授和学生学习。该教材是多年教学改革研究的成果，在全国高校的课程改革与建设中发挥了很好的辐射作用。

　　l 国内第1门计算机体系结构国家精品课的教学和习题指导教材，充分结合了作者在国防科学技术大学计算机学院多年的教学经验和科研成果。

　　l 本书作为计算机体系结构的配套教学用书，各章按教学指南、主要内容、例题、习题及参考答案4个部分组织。

　　l 内容的可读性好，语言简练，深入浅出，通俗易懂。

　　l 适合作为高校计算机专业教师、本科生及研究生计算机体系结构课程的教材。

　　教学资源：

　　l 《计算机体系结构（第2版）》：本书是国家精品课程“计算机体系结构”的指定教材，同时也是高等学校计算机专业本科生及研究生计算机体系结构课程的通用教材。在内容的选择上，本书重点论述了现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等。同时借鉴了国际上公认的计算机系统结构高水平教材。

　　l PPT电子课件：主教材配套的PPT电子讲稿可在清华大学出版社网站下载。

　　l 《计算机体系结构实验》：考虑到完成实验的工作量，我们选择32位DLX结构的处理器作为实验对象，因为DLX指令系统具有规整、简洁等优点，且具有开源的模拟器和编译器等软件工具供大家使用。除了包含流水线、指令级并行、cache等经典实验内容外，本书还特别面向指令集的设计与优化专门设计了实验。

　　本书是学习“计算机体系结构”课程的优秀教材，配套教学资源丰富。本书的PPT电子课件、实验模拟程序等，可到清华大学出版社官网下载。

内容简介

　　本书是国家精品课程主讲教材《计算机体系结构》的配套教学用书。各章包括教学指南、主要内容、典型题目解析、习题及习题解答4个部分。教学指南对每一章学习内容进行总结，理清学习的重点、要点、难点和范围。主要内容包括每一章的基本理论、基本概念、基本公式、基本方法等内容摘要，对每一章的主要内容进行总结，检查每一章基本内容的掌握情况。例题对课程中的典型习题进行指导性分析，重在题目类型、解题方法、解题思路和解题要点，学生也可以根据这一部分的内容对照检查自己的学习情况，检查自己计算机系统结构的解题能力。

　　本书是教师讲授“计算机体系结构”课程的教学参考书，也可以作为学生学习本课程的参考用书。

作者简介

　　张春元，1996年在国防科学技术大学计算机系获工学博士学位，现任国防科学技术大学计算机学院教授，博士生导师，享有国务院颁发的政府特殊津贴。长期从事计算机体系结构、计算机应用等科研和教学工作。主持国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家863高技术研究项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目及企业合作等20多项，发表科研论文100余篇，出版学术专著2部，已获授权专利10项。主讲过10多门本科生和研究生课程，是国家精品课程“计算机体系结构”主讲人之一，撰写教材3本，其中《计算机体系结构》获得“2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖”，发表教学研究文章10余篇，主编出版有《学位与研究生教育信息管理实践与探索》。获得国家科技进步二等奖1次，省部级科技进步奖多次，国家教学成果二等奖1次，省部级教学成果奖多次。

　　罗莉，1997年在国防科学技术大学计算机系获工学博士学位。现任国防科学技术大学计算机学院教授、硕士生导师，国家精品课程“计算机体系结构”和“计算机原理”主讲人之一。国防科学技术大学计算机学院高性能计算机创新团队的核心成员，该团队获“军队首届科技创新群体奖”。中国计算机学会会员，主要研究方向包括高性能微处理器体系结构、SOC设计技术等，作为项目负责人和主要完成人参加国家自然科学基金、国家863高技术项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目等20余项。近五年发表论文40余篇，参与撰写教材三本，获军队科技进步一等奖2次、二等奖2次、三等奖2次，获国家授权专利3项。

　　肖晓强，2000年在国防科学技术大学计算机学院获得博士学位。现任国防科学技术大学计算机学院教授、硕士研究生导师，计算机学院计算机教学实验中心主任，军队专业技术三类岗位津贴获得者，军队育才奖银奖获得者，“计算机学报”、“计算机研究与发展”等多个期刊的审稿人。国家精品课程“计算机体系结构”和“计算机原理”主讲人之一，先后为本科生主讲了“大学计算机基础”、“计算机原理与设计”、“微型计算机原理”、“计算机体系结构”、“嵌入式系统课程设计”等8门本科课程，为研究生主讲了“系统模型与模拟”课程。已编写出版了《计算机原理与设计》和《计算机体系结构》等本科教材和3部教学辅导书。主要从事无线网络与移动计算、网络可靠性分析以及计算机仿真等方面的科研工作，在车载网络、网络性能参数测量、可靠性分析以及计算机建模与仿真等方面有较深入的研究。主持国家自然科学基金项目1项，参与多项科研项目，取得了多项研究成果，获军队科技进步二等奖、三等奖各1次。近年来，在国际会议、国内期刊发表论文10余篇，教学研究论文10余篇。

内页插图

前言/序言

　　本书是与王志英主编的“国家精品课程教材”中的《计算机体系结构》(主教材)一书完全配套的教师参考用书，也可以作为计算机科学与技术专业本科生、研究生和相关专业学生学习计算机体系结构课程的参考用书。

　　“计算机体系结构”是计算机科学与技术学科的一个重要方向，是重要的计算机专业课程，主要讨论计算机系统设计技术，涉及较多的计算机专业知识。在计算机科学与技术学科中，计算机体系结构是一个理论性和实践性很强的研究方向，由于多种原因，无论本科生还是研究生都认为学习的难度较大，不易掌握。本书根据作者数十年从事“计算机体系结构”领域的科研和本科生、研究生课程的教学经验和体会整理编写而成，也是国防科大计算机学院计算机体系结构教学小组多年教学的工作总结，是集体智慧的结晶，以满足讲授“计算机体系结构”课程教师的需要。本书的使用将有助于教师对主教材的理解和运用，对于改进教学方法，提高教学质量都有着积极的意义。为了便于学习，书中每一章都按教学指南、主要内容、典型题目解析、习题及习题解答四个部分进行组织。作为第2版，本书在内容上依据主教材的变化，进行了更新和增加。

　　考虑到本书的主要读者对象应该是讲授“计算机体系结构”课程的教师和学习相应课程的学生，所以在本书每一章的最后一节给出了主教材中全部习题的详细解答，以供讲授、辅导和练习时参考。要注意的是，有些习题的答案并不唯一，设计也不一定最优，读者可以根据解题思路自己解答，不要受到参考答案的限制和束缚。

　　“计算机体系结构”课程的教材在国内已经出版有多种，近年来也出现了一些面向学生的学习指导用书，但目前还没有见到有针对主讲和辅导教师编写的教师用书面世，本书的出版可以说是填补了一个空白，相信它会为广大讲授该课程的教师提供有益的帮助。还需要特别指出的是，学生在使用本书的过程中，我们不提倡仅仅简单地查阅这一部分的内容，核实自己练习的正确性，而是要给自己留下一个独立思考的空间。其实是否给学生提供习题的详细解答，一直是教育界颇有争议的问题，除了考虑培养学生独立思考的因素，如何保持练习题的生命周期也是教师们经常考虑的一个因素，因为设计一套较满意的习题是非常消耗精力的工作，而一旦公布习题详细解答，将导致练习题的生命周期缩短。由于时间的原因以及个人的水平限制，书中难免有不妥之处，欢迎同行专家学者和广大读者批评指正。

　　作者2016年5月

　　于长沙国防科技大学

《计算机体系结构：理论与实践》（第2版）—— 深度解析计算机的基石，赋能下一代技术创新在飞速发展的数字时代，理解计算机底层运作原理已成为每一位涉足技术领域人士的必备技能。从嵌入式系统到超级计算机，从移动设备的能效优化到数据中心的性能扩展，计算机体系结构的知识体系是这一切的基础。本书《计算机体系结构：理论与实践》（第2版）正是这样一本旨在深入浅出地剖析计算机核心机制，并引导读者将理论知识应用于实际问题的经典著作。它不仅为初学者构建起坚实的理论框架，更为经验丰富的工程师和研究人员提供了洞察前沿技术趋势和解决复杂工程挑战的有力工具。第一部分：计算机体系结构的基石——指令集体系结构（ISA）的奥秘本书的开篇，我们将一同深入探索计算机体系结构中最核心的概念之一：指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）。ISA是软件与硬件之间的桥梁，定义了处理器能够理解和执行的基本指令集、数据类型、寄存器、内存寻址模式以及I/O操作。理解ISA的设计原则，对于进行高性能计算、低功耗设计、甚至开发全新的处理器架构都至关重要。在这一部分，我们会详细解析不同类型的ISA，例如精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）的演变历程、设计哲学及其在现代处理器中的应用。我们将深入探讨RISC-V等开放指令集架构的优势，以及它在推动开源硬件生态和创新方面的巨大潜力。同时，本书也会剖析x86等传统CISC指令集的特点，以及它们如何通过微架构的优化来保持竞争力。我们还将聚焦于ISA设计中的关键权衡，例如指令的丰富性与复杂性、执行效率与功耗、以及软件兼容性等。通过分析真实世界的案例，例如高性能CPU、GPU以及特种处理器的ISA设计，读者将能够领悟到ISA的每一个决策都蕴含着深刻的设计考量和工程智慧。第二部分：性能的引擎——处理器微架构的设计与优化指令集体系结构（ISA）只是一个规范，而实际执行指令并实现高性能的是处理器的微架构。本书的第二部分将带领读者走进处理器微架构的精妙世界，揭示现代高性能处理器是如何通过一系列复杂的设计来榨干每一分性能的。我们将从最基础的流水线（Pipelining）技术入手，解释如何通过重叠指令的执行来提高吞吐量。在此基础上，深入探讨指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP）的各种技术，包括超标量（Superscalar）执行、乱序执行（Out-of-Order Execution）以及分支预测（Branch Prediction）。读者将学习到，现代处理器如何利用这些技术来隐藏指令之间的依赖性，最大限度地并行执行多条指令，从而大幅提升计算速度。本书还将详细讲解缓存（Cache）层次结构的设计与优化。缓存是提升处理器访问内存效率的关键，我们将分析不同级别的缓存（L1、L2、L3）的设计目标、容量、关联度、替换策略以及写策略。通过理解缓存的工作原理和性能瓶颈，读者将能够更好地优化程序，以获得最佳的缓存命中率，减少内存访问延迟。此外，我们还会探讨多核（Multi-Core）和多线程（Multi-Threading）技术，如超线程（Hyper-Threading）等。理解如何设计和利用多核处理器来处理并发任务，以及如何通过线程级别的并行来进一步提升整体系统吞吐量，是现代计算的重要组成部分。第三部分：数据的生命线——存储器系统与I/O通信的深度剖析计算机的性能不仅仅取决于处理器，存储器系统和输入/输出（I/O）通信同样扮演着至关重要的角色。本书的第三部分将全面审视这些关键的子系统，揭示它们如何影响整体系统的响应速度和效率。我们将首先深入研究主存储器（Main Memory）的组织方式，包括DRAM（动态随机存取存储器）的技术发展，如DDR（Double Data Rate）系列标准。读者将了解DRAM的读写时序、行/列地址访问、以及如何通过通道（Channel）和 Rank 来提升带宽。随后，我们将聚焦于存储器层次结构中更为广泛的概念，从高速缓存到辅助存储设备。我们会详细分析固态硬盘（SSD）和传统机械硬盘（HDD）的技术特性、接口标准（如SATA、NVMe），以及它们在数据读写性能上的差异。了解这些存储设备的特性，对于进行大规模数据存储、文件系统设计以及数据库优化都至关重要。在I/O通信方面，本书将详细讲解各种I/O接口技术，包括PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）等高性能总线。我们将探讨DMA（Direct Memory Access）技术如何允许设备绕过CPU直接访问内存，从而大幅减轻CPU负担，提高I/O效率。此外，我们还会分析网络接口（NIC）的设计、网络协议栈的硬件加速、以及存储区域网络（SAN）和网络附加存储（NAS）等存储解决方案，这些对于构建高效的数据中心和分布式系统至关重要。第四部分：并行计算的广阔天地——多处理器系统与并行体系结构随着计算需求的日益增长，单核处理器的性能提升已经趋于瓶颈，并行计算已成为提升系统性能的主流方向。本书的第四部分将带领读者进入多处理器系统和并行体系结构的广阔天地。我们将从共享内存（Shared Memory）和分布式内存（Distributed Memory）两种主要的多处理器系统架构入手，分析它们的设计理念、通信机制和编程模型。读者将理解共享内存系统如何通过一致的内存空间来简化编程，但可能面临缓存一致性（Cache Coherence）的挑战。而分布式内存系统则通过消息传递（Message Passing）来组织计算，更适合大规模集群。本书将深入探讨缓存一致性协议，如MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）等，以及它们如何确保多处理器系统中所有处理器都能看到一致的内存视图。我们还将分析不同类型的互连网络（Interconnection Networks），如总线、交叉开关（Crossbar）和多级互连网络，以及它们在多处理器系统中的拓扑结构和性能权衡。此外，我们还将介绍图形处理器（GPU）等大规模并行处理器的体系结构。GPU的设计使其能够高效地执行大量相似的计算任务，在科学计算、深度学习、图形渲染等领域发挥着越来越重要的作用。我们将剖析GPU的SIMT（Single Instruction, Multiple Threads）执行模型，以及其内存模型和编程范式。第五部分：现代计算机体系结构的挑战与未来展望在结束理论学习之后，本书的最后一部分将带领读者审视当前计算机体系结构所面临的挑战，并展望未来的发展趋势。我们将讨论摩尔定律（Moore's Law）的放缓以及由此带来的设计难题。在晶体管尺寸逼近物理极限的背景下，如何继续提升计算性能，成为体系结构设计的核心课题。本书将探讨后摩尔定律时代的解决方案，例如异构计算（Heterogeneous Computing）、专用硬件加速器（如AI芯片、FPGA）以及新的计算范式。我们还将深入探讨能效比（Energy Efficiency）的重要性。随着数据中心和移动设备的能耗不断攀升，设计低功耗、高能效的处理器和系统已成为关键。本书将分析各种低功耗设计技术，包括动态电压频率调整（DVFS）、时钟门控（Clock Gating）以及电路层面的优化。最后，本书将展望人工智能（AI）和机器学习（ML）对计算机体系结构的影响。AI的兴起催生了对专用AI硬件的需求，例如TPU（Tensor Processing Unit）等。我们将探讨AI算法的特点如何驱动新的处理器设计，以及未来计算机体系结构将如何更好地支持AI计算。本书还将讨论量子计算、神经形态计算等新兴计算技术，并探讨它们可能带来的颠覆性变革。《计算机体系结构：理论与实践》（第2版）不仅仅是一本教材，更是一本探索计算机世界内在逻辑的指南。它旨在帮助读者建立起对计算机工作原理的深刻理解，培养解决实际工程问题的能力，并为未来的技术创新奠定坚实的基础。无论您是即将踏入计算机科学领域的学生，还是希望在职业生涯中不断进阶的工程师，本书都将是您不可或缺的宝贵资源。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

我在考虑是否购买《计算机体系结构教学与习题指导（第2版）》时，非常关注它对于初学者是否友好。计算机体系结构往往被认为是计算机科学中比较难啃的骨头之一，涉及大量的专业术语和抽象的概念。我希望这本书能够用比较易于理解的语言来解释这些复杂的知识，而不是一味地堆砌晦涩的定义。比如，在介绍流水线技术时，是否能通过生动的比喻或者流程图来帮助我理解其工作原理？在讲解缓存一致性问题时，是否能提供一些具体的案例分析？此外，习题部分是否也考虑到了不同水平的学习者，是否有难度梯度？一些基础的计算题，一些概念辨析题，以及一些需要综合运用知识的设计题，能有机地结合在一起，这样才能让不同阶段的学习者都能从中获益。如果这本书能够做到这一点，那我一定会毫不犹豫地入手。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《计算机体系结构教学与习题指导（第2版）》后，我最先关注的是它在理论讲解之外，是否能提供足够有价值的实践指导。从目录上看，习题部分占有相当的篇幅，这让我感到很欣慰。计算机体系结构这类课程，理论知识固然重要，但如果不能通过大量的练习来巩固和应用，很容易流于空泛。我希望这本习题指导能够涵盖从基础概念的理解性题目，到更具挑战性的设计类、分析类题目，能够真正帮助我将书本上的知识内化。另外，我还在寻找是否配有详细的答案解析，或者至少是关键步骤的提示。对于学习者来说，知道答案固然重要，但理解解题思路和方法更是关键。如果习题部分能够做到这一点，这本书的实用价值将大大提升，能够成为我复习和备考的得力助手。

评分☆☆☆☆☆

对于《计算机体系结构教学与习题指导（第2版）》这本书，我主要看重的是它在知识深度和广度上的平衡。计算机体系结构是一个非常庞大且分支众多的领域，从底层硬件的设计，到上层的软件交互，都包含其中。我希望这本书能够在这有限的篇幅内，既覆盖到核心的知识点，例如指令集架构、流水线技术、存储体系、I/O系统等，又能够适当地拓展到一些现代体系结构的发展趋势，如多核处理器、异构计算、并行处理等。同时，作为一本“教学与习题指导”，它的内容组织应该能够紧密结合教学大纲，提供清晰的知识脉络，帮助我建立起完整的知识体系。我并不需要它成为一本包罗万象的百科全书，但它必须成为一个可靠的“知识导航仪”，能够指引我在计算机体系结构的海洋中找到正确的方向。

评分☆☆☆☆☆

这本《计算机体系结构教学与习题指导（第2版）》的装帧质量相当不错，纸张的质感摸起来很舒服，不是那种容易泛黄的廉价纸，厚度也适中，感觉可以经受住反复翻阅。打开书的时候，那种新书特有的油墨香扑鼻而来，让人心情愉悦。我特别留意了一下它的排版，字迹清晰，行距和字间距都恰到好处，阅读起来不会感到拥挤或疲劳。章节的划分也很合理，标题醒目，方便查找和定位。虽然我还没深入学习，但随便翻了几页，感觉内容组织得很有逻辑性，从基础概念到进阶知识，循序渐进。而且，书中的插图和图表设计也很用心，虽然我还没看懂它们具体代表的含义，但从视觉上看，都比较直观，应该有助于理解那些复杂的概念。这种细致的排版和设计，体现了出版方对学术类书籍的专业态度，让我对这本书的内在品质充满期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计真的很有意思，整体色调偏向沉稳的蓝色，给人一种专业、可靠的感觉。书名《计算机体系结构教学与习题指导（第2版）》的字体选用了一种比较现代、清晰的无衬线体，重点突出了“计算机体系结构”这几个核心词汇，而“教学与习题指导”则稍显次要，但字体大小和颜色对比度适中，不至于被忽略。整体而言，封面信息传递得很到位，能够快速让目标读者了解这本书的主题。我还注意到，封面上似乎有一些抽象的图形元素，可能暗示着计算机内部的复杂结构或者数据流动的概念，这个设计小细节还是挺有意思的，能引发读者一些初步的联想。虽然我还没开始细读，但单从封面和排版来看，这本书给我的第一印象是严谨且具有学术气息的。它不像一些入门读物那样花哨，而是更注重内容的实质性呈现。希望翻开书页后，里面的内容也能同样令人满意，能够真正帮助我理解计算机体系结构这个相对抽象的学科。