深入淺齣SSD:固態存儲核心技術 原理與實戰+固態存儲技術原理及數據恢復 原理與實戰書籍 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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SSDFans，劉永剛 著

圖書標籤:

• SSD
• 固態存儲
• 存儲技術
• 數據恢復
• 原理
• 實戰
• 深入淺齣
• 技術
• 硬盤
• 計算機硬件

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齣版社： 機械工業

ISBN：9787111599791

商品編碼：28477910565

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深入淺齣SSD:固態存儲核心技術 原理與實戰

作者： SSDFans   

 

齣版社：機械工業齣版社

 

ISBN：9787111599791

 

開本：16開

 

版次：1-1

目錄

贊譽 

序一 

序二 

前言 

1章 SSD綜述 1

1.1 引子 1

1.2 SSD vs HDD 3

1.3 固態存儲及SSD技術發展史 6

1.4 SSD基本工作原理 11

1.5 SSD産品核心參數 13

1.5.1 基本信息剖析 15

1.5.2 性能剖析 18

1.5.3 壽命剖析 21

1.5.4 數據可靠性剖析 23

1.5.5 功耗和其他剖析 26

1.5.6 SSD兼容性 29

1.6 接口形態 30

1.6.1 2.5寸 32

1.6.2 M.2 32

1.6.3 BGA SSD 35

1.6.4 SDP 37

1.6.5 U.2 38

1.7 固態存儲市場 38

1.7.1 SSD正在取代HDD 38

1.7.2 SSD、HDD應用場閤 39

1.7.3 SSD市場情況 39

2章 SSD主控和全閃存陣列 41

2.1 SSD架構 41

2.1.1 前端 42

2.1.2 主控CPU 45

2.1.3 後端 45

2.2 SSD主控廠商 47

2.2.1 Marvell主控 47

2.2.2 三星主控 49

2.2.3 國産主控，誰主沉浮 50

2.3 案例：矽格（SiliconGo）SG9081主控 55

2.4 案例：企業級和消費級主控需求的歸一化設計 56

2.5 案例：DERA（得瑞領新）NVMe控製器TAI和NVMe SSD産品 58

2.6 全閃存陣列AFA 60

2.6.1 整體解剖 60

2.6.2 硬件架構 64

2.6.3 軟件架構 66

2.6.4 工作流程 69

2.6.5 應用場景 74

2.7 帶計算功能的固態硬盤 75

3章 SSD存儲介質：閃存 77

3.1 閃存物理結構 77

3.1.1 閃存器件原理 77

3.1.2 SLC、MLC和TLC 78

3.1.3 閃存芯片架構 80

3.1.4 讀、寫、擦原理 83

3.1.5 三維閃存 84

3.1.6 Charge Trap型閃存 89

3.1.7 3D XPoint 91

3.2 閃存實戰指南 95

3.2.1 異步時序 95

3.2.2 同步時序 97

3.2.3 閃存命令集 100

3.2.4 閃存尋址 101

3.2.5 讀、寫、擦時序 102

3.2.6 ONFI與Toggle協議之爭 103

3.3 閃存特性 105

3.3.1 閃存存在的問題 105

3.3.2 壽命 107

3.3.3 閃存測試 109

3.3.4 MLC使用特性 110

3.3.5 讀乾擾 111

3.3.6 閃存數據保存期 112

3.4 閃存數據完整性 115

3.4.1 讀來源 115

3.4.2 重讀 117

3.4.3 ECC糾錯碼 118

3.4.4 RAID 119

3.4.5 數據隨機化 120

4章 SSD核心技術：FTL 122

4.1 FTL綜述 122

4.2 映射管理 124

4.2.1 映射種類 124

4.2.2 映射基本原理 126

4.2.3 HMB 128

4.2.4 映射錶刷新 130

4.3 垃圾迴收 131

4.3.1 垃圾迴收原理 131

4.3.2 寫放大 137

4.3.3 垃圾迴收實現 140

4.3.4 垃圾迴收時機 147

4.4 Trim 148

4.5 磨損平衡 150

4.6 掉電恢復 152

4.7 壞塊管理 155

4.7.1 壞塊來源 155

4.7.2 壞塊鑒彆 155

4.7.3 壞塊管理策略 157

4.8 SLC cache 158

4.9 RD& DR 160

4.10 Host Based FTL 161

4.10.1 Device Based FTL的不足 162

4.10.2 Host Based FTL架構 163

4.10.3 百度的軟件定義閃存 163

5章 PCIe介紹 166

5.1 從PCIe的速度說起 166

5.2 PCIe拓撲結構 169

5.3 PCIe分層結構 172

5.4 PCIe TLP類型 175

5.5 PCIe TLP結構 179

5.6 PCIe配置和地址空間 184

5.7 TLP的路由 189

5.8 數據鏈路層 197

5.9 物理層 202

5.10 PCIe Reset 205

5.11 PCIe Max Payload Size和Max Read Request Size 210

5.12 PCIe SSD熱插拔 211

5.13 SSD PCIe鏈路性能損耗分析 213

6章 NVMe介紹 216

6.1 AHCI到NVMe 216

6.2 NVMe綜述 218

6.3 吉祥三寶：SQ、CQ和DB 223

6.4 尋址雙雄：PRP和SGL 229

6.5 Trace分析 236

6.6 端到端數據保護 241

6.7 Namespace 245

6.8 NVMe over Fabrics 250

7章 SSD測試 258

7.1 主流SSD測試軟件介紹 258

7.1.1 SSD性能測試一神器——FIO 258

7.1.2 AS SSD Benchmark 263

7.1.3 ATTO Disk Benchmark 264

7.1.4 CrystalDiskMark 264

7.1.5 PCMark Vantage 266

7.1.6 IOMeter 266

7.2 驗證與確認 267

7.3 測試儀器 268

7.3.1 Emulator 268

7.3.2 協議分析儀 269

7.3.3 Jammer 272

7.4 迴歸測試 274

7.5 DevSlp測試 275

7.6 PCIe InterOp 278

7.7 WA測試 280

7.8 耐久度測試 281

7.9 認證Certification 288

7.10 SSD Performance測試 290

8章 SSD電源管理 294

8.1 SATA省電模式Partial和Slumber 294

8.2 SATA級省電模式DevSlp 295

8.3 SATA省電模式RTD3 299

8.4 PCIe省電模式ASPM 301

8.5 PCIe其他省電模式 305

8.6 NVMe動態電源管理 306

8.7 Power Domain 310

9章 ECC原理 312

9.1 信號和噪聲 312

9.2 通信模型 313

9.3 糾錯編碼的基本思想 315

9.3.1 編碼距離 315

9.3.2 綫性糾錯碼的基石——奇偶校驗（Parity-Check） 315

9.3.3 校驗矩陣H 和生成矩陣G 316

9.4 LDPC碼原理簡介 317

9.4.1 LDPC是什麼 317

9.4.2 Tanner圖 319

9.5 LDPC 解碼 319

9.5.1 Bit-flipping 算法 319

9.5.2 和積信息傳播算法 322

9.6 LDPC 編碼 327

9.7 LDPC 在SSD中的應用 327

9.7.1 NAND 會齣錯 328

9.7.2 NAND 糾錯模型 328

9.7.3 LDPC糾錯流程 330

固態存儲技術原理及數據恢復

隨著計算機技術的迅猛發展，人類社會進入到一個嶄新的時代。相伴而來的電子存儲技術正在改變人們的學習、生活和工作方式，U盤、固態硬盤、數碼相機、手機等各類電子存儲設備的廣泛普及，其數據安全問題已經成為人們普遍關注的問題，數據恢復技術從業人員及相關學生以及廣大電子設備使用者，應該瞭解掌握的電子設備的數據安全和數據恢復知識和一些基本技能。 本書閤理組織理論與實踐內容，目的是為瞭使讀者能夠瞭解Flash設備數據存儲及其數據恢復的基本知識，掌握相關的恢復技能等。本書構建瞭一個個鮮明的項目，層次清楚，概念，由淺入深，通俗易懂，既有基本知識、基本原理，又能夠密切聯係實際。

基 礎 篇
第1章 固態存儲技術概述 2
1．1 Flash存儲器的發展 2
1．1．1 內部存儲器的發展 3
1．1．2 各類存儲卡的發展 3
1．1．3 U盤的發展 4
1．1．4 固態硬盤的發展 4
1．2 計算機內部存儲器基礎知識 5
1．2．1 計算機存儲概述 5
1．2．2 計算機存儲器工作流程 6
1．3 Flash存儲器簡述 7
1．3．1 Flash的製造 7
1．3．2 Flash數據存儲簡介 9
1．3．3 Flash技術特性 11
1．3．4 NOR Flash與Nand Flash區彆 12
第2章 Nand Flash存儲器基礎知識 15
2．1 Nand Flash種類 15
2．1．1 SLC、MLC、TLC及QLC的含義 15
2．1．2 SLC、MLC、TLC及QLC的存儲原理 16
2．1．3 MLC技術的改進 17
2．1．4 3D V-Nand技術 17
2．2 Nand Flash邏輯結構 18
2．3 Nand Flash操作特點 19
第3章 Flash存儲卡基礎知識 20
3．1 Flash存儲卡綜述 20
3．2 Flash存儲卡的種類 23
3．2．1 CF卡係列 23
3．2．2 SD技術 25
3．2．3 MMC卡 31
3．2．4 其他類型的存儲卡 33
3．3 購買存儲卡注意事項 43
3．4 存儲卡使用注意事項 44
3．5 存儲卡常見故障及解決方法 45
第4章 U盤基礎知識 47
4．1 USB技術介紹 47
4．1．1 USB的通信模型 48
4．1．2 USB設備檢測及初始化 48
4．1．3 USB的性能特點 49
4．2 U盤的結構 50
4．2．1 U盤的結構簡述 50
4．2．2 U盤電路功能模塊 51
4．2．3 U盤工作原理 63
4．2．4 U盤技術參數 63
4．2．5 U盤使用注意事項 63
4．3 量産基本知識 64
4．3．1 量産定義 64
4．3．2 量産工具 64
4．3．3 量産案例 65
第5章 固態硬盤的基礎知識 67
5．1 固態硬盤的定義 67
5．2 固態硬盤的種類 67
5．2．1 基於閃存的固態硬盤 67
5．2．2 基於DRAM的固態硬盤 68
5．2．3 基於NRAM的固態硬盤 68
5．3 固態硬盤的優缺點 69
5．3．1 優點 69
5．3．2 缺點 69
5．4 固態硬盤內部結構 70
5．4．1 控製模塊 70
5．4．2 緩存模塊 71
5．4．3 存儲模塊 71
5．4．4 接口模塊 71
5．5 固態硬盤主控介紹 74
5．5．1 固態硬盤主流主控介紹 74
5．5．2 主控體係架構 74
5．5．3 固態硬盤主控固件 75
5．6 固態硬盤管理 76
5．6．1 映射錶 76
5．6．2 重映射與垃圾迴收 77
5．6．3 損耗平衡 78
5．6．4 TRIM 79
5．7 固態硬盤的優化 79
5．7．1 固態硬盤的使用環境優化 80
5．7．2 固態硬盤的分區優化 80
5．8 固態硬盤的使用

探秘數字世界的基石：存儲技術的發展、演進與未來 在信息爆炸的時代，數據已成為驅動社會進步的核心要素。從個人生活中的照片、視頻，到企業運營的海量業務數據，再到科研領域的龐大數據集，無一不依賴於高效、可靠的存儲技術。本書將帶您深入探究構成現代數字世界基石的存儲技術，從其發展曆程、核心原理，到前沿技術動態，為您勾勒齣一幅全景式的知識圖譜。 第一章：存儲技術的黎明與曙光 在計算機的早期，存儲設備的選擇相對有限，但每一種都為後續技術的發展奠定瞭基礎。本章將迴顧那些具有裏程碑意義的存儲技術，包括： 穿孔卡片與紙帶： 迴溯計算機的“嬰兒時期”，瞭解這些“紙上”的記憶如何承載著最初的程序和數據。我們將探討它們的讀寫機製、信息編碼方式，以及在那個時代所扮演的重要角色。 磁帶存儲： 剖析磁帶技術的工作原理，包括磁性材料的特性、磁頭的讀寫過程，以及其在早期數據備份和歸檔中的應用。我們將追溯其從龐大的捲盤到現代流媒體磁帶的演變，理解其成本效益與持續的生命力。 早期磁盤技術： 介紹固定磁頭盤、可移動磁頭盤等概念，理解磁鼓、最早的硬盤驅動器如何通過鏇轉介質和磁頭來存儲信息。本章將涉及磁介質的物理結構、磁化原理，以及它們如何實現隨機訪問的突破。 光存儲的萌芽： 簡要介紹光學存儲的早期探索，如激光唱片（LaserDisc）等，為後續光盤技術的齣現鋪墊。理解光盤如何利用激光讀取和寫入信息，為多媒體時代的到來播下種子。 第二章：機械硬盤的黃金時代與技術瓶頸 硬盤驅動器（HDD）作為長久以來最主要的存儲設備，其發展曆程堪稱一部技術進步的史詩。本章將聚焦於HDD的核心技術： 磁性存儲的精髓： 深入剖析HDD的物理結構，包括盤片（Platter）、讀寫磁頭（Read/Write Head）、主軸電機（Spindle Motor）等關鍵組件。我們將詳細講解磁性材料的微觀結構、磁疇的形成與變化，以及如何通過精確控製磁頭的運動和磁化方嚮來存儲二進製信息。 數據編碼與糾錯： 探討HDD如何將原始數據轉化為可存儲的信號，包括但不限於MFM（Modified Frequency Modulation）、RLL（Run-Length Limited）等編碼方式。理解數據傳輸過程中不可避免的錯誤，以及ECC（Error Correction Code）技術在確保數據完整性方麵的重要作用。 磁頭懸浮與伺服係統： 揭示磁頭如何在盤片錶麵精確“飛行”的奧秘。本章將詳細介紹空氣動力學在磁頭懸浮中的應用，以及復雜的伺服係統如何實時跟蹤盤片鏇轉，確保磁頭準確地定位到目標扇區。 接口技術的發展： 迴顧IDE、SCSI、SATA等接口協議的演進，分析它們在數據傳輸速率、連接方式、設備管理等方麵的差異與進步，以及這些接口如何影響存儲係統的整體性能。 HDD麵臨的挑戰： 分析HDD在高密度存儲、讀寫速度、抗震性、功耗等方麵逐漸顯現的瓶頸。理解其機械結構的固有限製，為下一代存儲技術的齣現埋下伏筆。 第三章：閃存革命的興起與固態存儲的崛起 SSD（Solid State Drive）的齣現，徹底改變瞭存儲行業的格局。本章將重點解析SSD的核心技術： 閃存芯片的原理： 深入剖析NAND閃存的工作機製，包括浮柵（Floating Gate）或電荷陷阱（Charge Trap）的工作原理、存儲單元的結構（SLC, MLC, TLC, QLC），以及電荷注入與讀取的過程。我們將詳細闡述其非易失性存儲的特性。 SSD的架構與組成： 介紹SSD的主要組件，如NAND閃存顆粒、主控製器（Controller）、DRAM緩存（DRAM Cache）、接口等。理解主控製器在SSD中的核心作用，包括NAND管理、磨損均衡、垃圾迴收、壞塊管理等關鍵功能。 磨損均衡（Wear Leveling）： 詳述磨損均衡算法的必要性與實現方式。理解閃存單元的擦寫次數有限，以及磨損均衡如何將擦寫操作均勻分配到所有閃存單元，延長SSD的壽命。 垃圾迴收（Garbage Collection）： 解釋SSD中“擦除”操作的特性，以及垃圾迴收機製如何高效地整理無效數據，為新的數據寫入騰齣空間，保持SSD的性能。 壞塊管理（Bad Block Management）： 闡述在閃存生産和使用過程中齣現壞塊的普遍性，以及SSD如何通過映射和替換機製來隔離和管理壞塊，確保數據的可靠性。 TRIM命令與性能優化： 介紹TRIM命令的作用，它如何指示操作係統哪些數據塊不再被使用，從而幫助SSD主控製器更有效地執行垃圾迴收，提升SSD的持續性能。 接口與協議的演進： 探討SATA、NVMe等接口協議對SSD性能的影響。理解NVMe協議如何通過PCIe總綫實現更低的延遲和更高的吞吐量，尤其是在多綫程、高並發場景下的優勢。 SSD的優勢與局限： 全麵分析SSD在讀寫速度、低延遲、功耗、抗震性等方麵的突齣優勢，同時探討其成本、擦寫壽命等方麵的挑戰。 第四章：存儲技術的融閤與前沿探索 隨著技術的不斷發展，存儲領域也在持續創新，湧現齣許多令人興奮的新技術和發展趨勢。 NVMe over Fabrics (NVMe-oF)： 介紹如何將NVMe協議擴展到網絡，實現存儲資源的遠程訪問和共享。理解其在數據中心、分布式存儲中的應用潛力，以及它如何突破傳統的存儲網絡瓶頸。 3D NAND技術的演進： 深入解析3D NAND技術如何通過垂直堆疊閃存單元來大幅提升存儲密度，以及其在降低單位容量成本、提升性能方麵的貢獻。 新興存儲介質探索： 簡要介紹相變存儲（PCM）、電阻式RAM（ReRAM）、磁性隨機存取記憶體（MRAM）等下一代存儲技術的原理與前景。分析它們在速度、能耗、持久性等方麵的潛在優勢，以及它們可能帶來的存儲革命。 存儲與計算的融閤（Computational Storage）： 探討將計算能力集成到存儲設備中的趨勢。理解其如何通過就近計算來減少數據搬移，提高處理效率，特彆是在人工智能、大數據分析等領域。 軟件定義存儲（Software-Defined Storage）： 分析如何通過軟件來抽象和管理底層硬件存儲資源。理解SDS的靈活性、可擴展性和自動化能力，以及它在構建現代化數據中心中的關鍵作用。 數據安全與恢復技術的挑戰： 探討在海量數據時代，數據丟失、損壞的風險以及相應的防護與恢復策略。簡要介紹數據備份、容災、數據恢復等領域的技術挑戰與解決方案。 第五章：實戰應用與未來展望 本章將結閤實際應用場景，展示存儲技術的價值，並展望未來的發展方嚮。 不同應用場景下的存儲選擇： 分析服務器、颱式機、筆記本電腦、移動設備、企業級存儲陣列等不同應用場景對存儲性能、容量、成本、功耗等方麵的需求，以及如何根據需求選擇最適閤的存儲解決方案。 存儲性能的度量與優化： 介紹衡量存儲性能的關鍵指標，如IOPS、吞吐量、延遲等。提供實用的存儲性能測試方法和優化建議。 企業級存儲解決方案： 探討RAID技術、SAN（Storage Area Network）、NAS（Network Attached Storage）等企業級存儲架構的設計理念與部署要點。 數據中心的存儲演進： 分析數據中心在麵對日益增長的數據量和多樣化的應用需求時，存儲基礎設施的建設與優化。 AI與存儲的深度融閤： 展望人工智能技術如何賦能存儲管理、數據分析，以及存儲技術如何為AI模型的訓練和部署提供強大的支撐。 存儲的綠色化與可持續發展： 探討如何通過技術創新和優化設計，降低存儲設備的能耗，實現可持續發展。 通過本書的學習，您將不僅能深入理解各類存儲技術的原理，更能把握其發展脈絡，洞察未來的技術趨勢。無論您是IT從業者、技術愛好者，還是希望深入瞭解數字世界運作機製的學習者，本書都將是您不可多得的參考指南。

評分☆☆☆☆☆

另一本《固態存儲技術原理及數據恢復原理與實戰》給我帶來的震撼是完全不同的側重，它更偏嚮於“救火隊員”的角色訓練。我們都知道，存儲係統一旦齣現物理或邏輯故障，數據安全就是頭等大事，而這本書恰恰精準地擊中瞭這個痛點。它對幾種常見的SSD數據丟失場景進行瞭詳盡的分析，比如掉電、固件損壞導緻的映射錶丟失，甚至是嚴重的壞塊集群問題，都有詳細的理論指導。最讓我印象深刻的是關於數據恢復工具和底層數據結構解析的部分，作者似乎是把各種商業恢復軟件的底層邏輯也給逆嚮分析瞭一遍，手把手教你如何通過十六進製編輯器觀察原始數據塊，如何根據FTL的殘留信息重建邏輯地址。雖然數據恢復本身充滿挑戰，但這本書提供的係統性思維框架，讓我明白在數據丟失時，應該遵循怎樣的排查順序，避免二次損壞，這對於任何IT運維人員來說，都是極其寶貴的“保命符”。

評分☆☆☆☆☆

這本《深入淺齣SSD：固態存儲核心技術原理與實戰》簡直是為我這種對存儲技術充滿好奇的工程師量身定做的。首先，它在理論深度上做得非常到位，毫不含糊地剖析瞭NAND閃存的工作機製，從最底層的物理結構到復雜的電荷捕獲過程，都講得清晰透徹。我特彆欣賞作者在講解FTL（閃存轉換層）時的那種“庖丁解牛”式的分解，將那些看似晦澀難懂的映射、磨損均衡和垃圾迴收算法，通過生動的比喻和精確的流程圖呈現齣來。讀完前幾章，我對SSD的性能瓶頸、讀寫差異以及數據持久性問題都有瞭全新的認識，不再停留在“固態硬盤就是快”的錶麵認知上。這本書的優勢在於，它沒有止步於概念的堆砌，而是深入到瞭實現細節，比如ECC（糾錯碼）的校驗過程和各種P/E周期管理策略，這對於我們日常進行性能調優和故障排查時，提供瞭堅實的理論基礎。我感覺就像拿到瞭一份SSD內部的“操作手冊”，對未來處理更復雜的存儲陣列問題信心大增。

評分☆☆☆☆☆

我必須承認，在閱讀過程中，我體驗到瞭幾次恍然大悟的時刻，尤其是在理解“寫放大”（Write Amplification）和“磨損均衡”（Wear Leveling）之間的辯證關係時。第一本書將磨損均衡視為一種為瞭延長壽命而不得不接受的“性能妥協”，因為它必然會增加無效數據的移動次數，從而加劇寫放大。而當我去閱讀數據恢復的章節時，我明白瞭為什麼在某些SSD長時間運行後，即便是邏輯損壞，數據恢復的難度也會指數級上升——正是因為磨損均衡算法將數據均勻地分散到瞭每一個物理塊上，使得數據碎片化程度遠超傳統機械硬盤的邏輯碎片。這種從原理到實踐，再從實踐反推原理深度的循環學習，構建瞭一種非常牢固的知識結構。這不是一本可以快速翻閱的書，它需要細嚼慢咽，但付齣的時間絕對物超所值，特彆是對於需要構建企業級存儲解決方案的專業人士而言，它幾乎是不可或缺的參考書。

評分☆☆☆☆☆

這兩本書的搭配使用，形成瞭一個非常完美的知識閉環。初讀《深入淺齣SSD》，你建立的是“如何設計和優化”的宏觀視角，讓你理解SSD的“為什麼是這樣的性能”；而閱讀《數據恢復》的部分，則是建立瞭一個“如果齣錯怎麼辦”的應急預案，它讓你明白在性能極限或故障狀態下，“數據到底藏在哪裏”。我發現，許多性能瓶頸的根源，其實都與FTL的生命周期管理有關，而一旦FTL管理失控，直接後果就是數據可達性的問題。這種互為錶裏的學習體驗非常暢快，不像市麵上很多書籍要麼隻談理論，要麼隻講操作，這本書巧妙地將“工程實踐”和“極端場景應對”融閤在瞭一起。對於想要進入存儲行業或者已經身處其中的人來說，這套組閤拳的價值，遠超齣瞭單本技術手冊的範疇，它提供的是一套完整的、覆蓋全生命周期的認知體係。

評分☆☆☆☆☆

從書籍的編寫風格來看，這兩位作者（或者說兩個部分的作者）有著非常清晰的讀者定位。第一本書，即“深入淺齣SSD”部分，語言風格嚴謹而富有啓發性，它采用瞭大量的圖示和數學模型來支撐復雜的概念，非常適閤那些希望深入理解底層算法的研發人員。比如講解GC（垃圾迴收）時，它會對比不同策略（如Concurrent vs. Background GC）的性能開銷和對實時I/O的影響，這種對工程權衡的深入討論，讓人感覺到作者不僅僅是理論傢，更是實戰派。而另一本側重恢復的部分，則更加像一本高質量的“實操手冊”，語言更直接、指令更明確，減少瞭不必要的學術包裝，一切都聚焦於“如何定位”和“如何提取”。這種差異化的敘述方式，使得整套閱讀體驗非常流暢，你可以先建立穩固的理論大廈，再用實戰技巧去加固它的地基。