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  • 计算机科学导论 原书第4版
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    2021-06-16 02:31:43

    出版者的话

    译者序

    前言

    章 绪论

    1.1 图灵模型

    1.1.1 数据处理器

    1.1.2 可编程数据处理器

    1.1.3 通用图灵机

    1.2 冯·诺依曼模型

    1.2.1 4个子系统

    1.2.2 存储程序概念

    1.2.3 指令的顺序执行

    1.3 计算机组成部分

    1.3.1 计算机硬件

    1.3.2 数据

    1.3.3 计算机软件

    1.4 历史

    1.4.1 机械计算机器(1930年以前)

    1.4.2 电子计算机的诞生(1930~1950年)

    1.4.3 计算机的诞生(1950年至今)

    1.5 计算机科学作为一门学科

    1.6 课程纲要

    1.6.1 部分:数据的表示与运算

    1.6.2 第二部分:计算机硬件

    1.6.3 第三部分:计算机软件

    1.6.4 第四部分:数据组织与抽象

    1.6.5 第五部分:不错话题

    1.6.6 第六部分:社交媒体和社会话题

    1.7 章末材料

    1.8 练习

    第2章 数字系统

    2.1 引言

    2.2 位置化数字系统

    2.2.1 十进制系统

    2.2.2 二进制系统

    2.2.3 十六进制系统

    2.2.4 八进制系统

    2.2.5 4种位置化数字系统小结

    2.2.6 转换

    2.3 非位置化数字系统

    2.4 章末材料

    2.5 练习

    第3章 数据存储

    3.1 数据类型

    3.1.1 计算机内部的数据

    3.1.2 数据压缩

    3.1.3 错误检测和纠正

    3.2 存储数字

    3.2.1 存储整数

    3.2.2 3种系统的比较

    3.2.3 实数

    3.3 存储文本

    3.3.1 代码

    3.4 存储音频

    3.4.1 采样

    3.4.2 量化

    3.4.3 编码

    3.4.4 声音编码标准

    3.5 存储图像

    3.5.1 光栅图

    3.5.2 矢量图

    3.6 存储视频

    3.7 章末材料

    3.8 练习

    第4章 数据运算

    4.1 逻辑运算

    4.1.1 位层次上的逻辑运算

    4.1.2 模式层次上的逻辑运算

    4.2 移位运算

    4.2.1 逻辑移位运算

    4.3 算术运算

    4.3.1 整数的算术运算

    4.3.2 实数的算术运算

    4.4 章末材料

    4.5 练习

    第5章 计算机组成

    5.1 引言

    5.2 中央处理单元

    5.2.1 算术逻辑单元

    5.2.2 寄存器

    5.2.3 控制单元

    5.3 主存储器

    5.3.1 地址空间

    5.3.2 存储器的类型

    5.3.3 存储器的层次结构

    5.3.4 高速缓冲存储器

    5.4 输入/输出子系统

    5.4.1 非存储设备

    5.4.2 存储设备

    5.5 子系统的互连

    5.5.1 CPU和存储器的连接

    5.5.2 110设备的连接

    5.5.3 输入/输出设备的寻址

    5.6 程序执行

    5.6.1 机器周期

    5.6.2 输入/输出操作

    5.7 不同的体系结构

    5.7.1 CISC

    5.7.2 RISC

    5.7.3 流水线

    5.7.4 并行处理

    5.8 简单计算机

    5.8.1 CPU

    5.8.2 主存

    5.8.3 输入/输出子系统

    5.8.4 指令集

    5.8.5 处理指令

    5.8.6 存储程序和数据

    5.8.7 指令周期

    5.8.8 另一个例子

    5.8.9 可重用性

    5.9 章末材料

    5.10练习

    第6章 计算机网络和因特网

    6.1 引言

    6.1.1 网络

    6.1.2 因特网

    6.1.3 硬件和软件

    6.1.4 协议分层

    6.1.5 TCP/IP协议族

    6.2 应用层

    6.2.1 提供服务

    6.2.2 应用层模式

    6.2.3 标准客户机一服务器应用

    6.2.4 文件传输协议

    6.2.5 电子邮件

    6.2.6 TELNET

    6.2.7 安全外壳

    6.2.8 域名系统

    6.2.9 端到端模式

    6.3 传输层

    6.3.1 传输层服务

    6.3.2 传输层协议

    6.4 网络层

    6.4.1 网络层提供的服务

    6.4.2 网络层协议

    6.5 数据链路层

    6.5.1 节点和链接

    6.5.2 局域网

    6.5.3 广域网

    6.6 物理层

    6.6.1 数据和信号

    ……

    第7章 操作系统

    第8章 算法

    第9章 程序设计语言

    0章 软件工程

    1章 数据结构

    2章 抽象数据类型

    3章 文件结构

    4章 数据库

    5章 数据压缩

    6章 安全

    7章 计算理论

    8章 人工智能

    9章社交媒体导论

    第20章 社会和道德问题

    附录A UnicOde

    附录B UML

    附录C 伪代码

    附录D 结构图

    附录E 布尔代数和逻辑电路

    附录F C、C++和Java程序示例

    附录G 数学知识

    附录H 错误检测和纠正

    附录I 符号加绝对值整数的加减法

    附录J 实数的加减法

    缩略语

    术语表显示全部>>隐藏全部>>

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    计算机组成与设计(原书第5版)  硬件软件接口 RISC-V

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    这本书是引进过来的,本系列图书广受盛誉,有两位“图灵奖”得主撰写,书的权威性及细致性不言而喻,两位作者的履历也是让我们望而项背:

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    本书内容简单总结

    本书第5版在MIPS和ARM版的基础上,特别推岀了R1SC-V版,这满足了广大读者学习和了解新技术及其发展的需要。该版本使用RISC -V指令系统作为实例,抽丝剥茧般呈现了设计一套新指令系统所需的技术考虑及其与微体系结构之间的密切联系,真正做到了“知其然,知其所以然”,这正是国外优秀的计算机体系结构研究者的“底蕴”。D.Patterson教授曾经表示过,RISC-V的未来在中国。我们也特别希望这部经典著作之R1SC-V版中译本的岀版,能够对我国的软硬件生态建设和发展有所贡献,能够对计算机体系结构领域的教学和科研有所帮助。

    书本资源

    本书网站booksite.elsevier.com/9780128122754 提供更多学习资源,可下载RISC-V软件工具,还有用于教学的PPT、练习题答案和附录等。

    书本目录

    章 计算机的抽象与技术 1
    1.1 引言 1
    1.1.1 计算机应用的分类和特点 2
    1.1.2 欢迎来到后PC时代 3
    1.1.3 你能从本书中学到什么 4
    1.2 计算机体系结构中的8个伟大思想 6
    1.2.1 面向摩尔定律的设计 6
    1.2.2 使用抽象简化设计 7
    1.2.3 加速大概率事件 7
    1.2.4 通过并行提高性能 7
    1.2.5 通过流水线提高性能 7
    1.2.6 通过预测提高性能 7
    1.2.7 存储器层次结构 7
    1.2.8 通过冗余提高可靠性 7
    1.3 程序表象之下 8
    1.4 硬件包装之下 10
    1.4.1 显示器 11
    1.4.2 触摸屏 12
    1.4.3 打开机箱 13
    1.4.4 数据的安全存储 15
    1.4.5 与其他计算机通信 16
    1.5 处理器和存储器制造技术 17
    1.6 性能 20
    1.6.1 性能的定义 20
    1.6.2 性能的度量 22
    1.6.3 CPU的性能及其度量因素 24
    1.6.4 指令的性能 24
    1.6.5 经典的CPU性能公式 25
    1.7 功耗墙 28
    1.8 沧海巨变:从单处理器向多处理器转变 29
    1.9 实例:Intel Core i7基准测试 32
    1.9.1 SPEC CPU基准测试程序 32
    1.9.2 SPEC功耗基准测试程序 34
    1.10 谬误与陷阱 34
    1.11 本章小结 36
    1.12 历史观点与拓展阅读 37
    1.13 练习题 38
    第2章 指令:计算机的语言 42
    2.1 引言 42
    2.2 计算机硬件的操作 44
    2.3 计算机硬件的操作数 46
    2.3.1 存储器操作数 47
    2.3.2 常数或立即数操作数 50
    2.4 有符号数和无符号数 51
    2.5 计算机中指令的表示 56
    2.6 逻辑操作 61
    2.7 决策指令 64
    2.7.1 循环 65
    2.7.2 边界检查的简便方法 67
    2.7.3 case/switch语句 67
    2.8 计算机硬件对过程的支持 68
    2.8.1 使用更多的寄存器 69
    2.8.2 过程嵌套 71
    2.8.3 在栈中为新数据分配空间 73
    2.8.4 在堆中为新数据分配空间 74
    2.9 人机交互 76
    2.10 LEGv8中的宽立即数和地址的寻址 79
    2.10.1 宽立即数 79
    2.10.2 分支中的寻址 80
    2.10.3 LEGv8寻址模式总结 82
    2.10.4 机器语言解码 82
    2.11 并行与指令:同步 86
    2.12 翻译并启动程序 88
    2.12.1 编译器 88
    2.12.2 汇编器 89
    2.12.3 链接器 90
    2.12.4 加载器 92
    2.12.5 动态链接库 92
    2.12.6 启动Java程序 94
    2.13 综合实例:C排序程序 95
    2.13.1 swap过程 95
    2.13.2 sort过程 97
    2.14 数组和指针 101
    2.14.1 用数组实现clear 102
    2.14.2 用指针实现clear 102
    2.14.3 比较两个版本的clear 103
    2.15 主题:编译C和解释Java 104
    2.16 实例:MIPS指令集 104
    2.17 实例:ARMv7(32位)指令集 105
    2.18 实例:x86指令集 106
    2.18.1 Intel x86的演进 107
    2.18.2 x86寄存器和数据寻址模式 108
    2.18.3 x86整数操作 110
    2.18.4 x86指令编码 112
    2.18.5 x86总结 112
    2.19 实例:ARMv8指令集的其他部分 113
    2.19.1 完整的ARMv8整数算术逻辑指令 114
    2.19.2 完整的ARMv8整数数据传输指令 116
    2.19.3 完整的ARMv8分支指令 117
    2.20 谬误与陷阱 118
    2.21 本章小结 119
    2.22 历史观点与拓展阅读 121
    2.23 练习题 121
    第3章 计算机的算术运算 128
    3.1 引言 128
    3.2 加法和减法 128
    3.3 乘法 131
    3.3.1 顺序乘法算法及硬件 131
    3.3.2 有符号乘法 134
    3.3.3 更快速的乘法 134
    3.3.4 LEGv8中的乘法 134
    3.3.5 小结 135
    3.4 除法 135
    3.4.1 除法算法及硬件 135
    3.4.2 有符号除法 137
    3.4.3 更快速的除法 138
    3.4.4 LEGv8中的除法 138
    3.4.5 小结 139
    3.5 浮点运算 140
    3.5.1 浮点表示 141
    3.5.2 异常和中断 142
    3.5.3 IEEE 754浮点标准 142
    3.5.4 浮点加法 145
    3.5.5 浮点乘法 148
    3.5.6 LEGv8中的浮点指令 150
    3.5.7 算术性 154
    3.5.8 小结 156
    3.6 并行与计算机算术:子字并行 157
    3.7 实例:x86中的流处理SIMD扩展和向量扩展 158
    3.8 实例:其他的ARMv8算术指令 160
    3.8.1 完整的ARMv8整数和浮点算术指令 160
    3.8.2 完整的ARMv8 SIMD指令 161
    3.9 加速:子字并行和矩阵乘法 163
    3.10 谬误与陷阱 166
    3.11 本章小结 168
    3.12 历史观点与拓展阅读 171
    3.13 练习题 171
    第4章 处理器 175
    4.1 引言 175
    4.1.1 一种基本的LEGv8实现 176
    4.1.2 实现概述 176
    4.2 逻辑设计的一般方法 178
    4.3 建立数据通路 180
    4.4 一种简单的实现机制 187
    4.4.1 ALU控制 187
    4.4.2 主控制单元的设计 188
    4.4.3 数据通路的操作 191
    4.4.4 完成控制单元 194
    4.4.5 为什么不使用单周期实现 195
    4.5 流水线概述 197
    4.5.1 面向流水线的指令集设计 200
    4.5.2 流水线冒险 200
    4.5.3 流水线概述小结 206
    4.6 流水线数据通路及其控制 207
    4.6.1 图形化表示的流水线 215
    4.6.2 流水线控制 218
    4.7 数据冒险:旁路与阻塞 221
    4.8 控制冒险 231
    4.8.1 假定分支不发生 231
    4.8.2 减少分支延迟 232
    4.8.3 动态分支预测 234
    4.8.4 流水线小结 236
    4.9 异常 236
    4.9.1 LEGv8体系结构中的异常处理 237
    4.9.2 流水线实现中的异常 238
    4.10 指令级并行 241
    4.10.1 推测的概念 242
    4.10.2 静态多发射 243
    4.10.3 动态多发射 246
    4.10.4 动态流水线调度 247
    4.10.5 能耗效率与流水线 249
    4.11 实例:ARM Cortex-A53和Intel Core i7流水线 250
    4.11.1 ARM Cortex-A53 251
    4.11.2 Intel Core i7 920 253
    4.11.3 Intel Core i7 920的性能 255
    4.12 加速:指令级并行和矩阵乘法 256
    4.13 主题:采用硬件设计语言描述和建模流水线的数字设计技术以及更多流水线示例 258
    4.14 谬误与陷阱 258
    4.15 本章小结 259
    4.16 历史观点与拓展阅读 260
    4.17 练习题 260
    第5章 大容量和高速度:开发存储器层次结构 271
    5.1 引言 271
    5.2 存储器技术 275
    5.2.1 SRAM技术 275
    5.2.2 DRAM技术 275
    5.2.3 闪存 277
    5.2.4 磁盘存储器 277
    5.3 cache的基本原理 279
    5.3.1 cache访问 280
    5.3.2 cache缺失处理 285
    5.3.3 写操作处理 285
    5.3.4 cache实例:Intrinsity FastMATH处理器 287
    5.3.5 小结 289
    5.4 cache性能的评估和改进 289
    5.4.1 通过更灵活的块放置策略来减少cache缺失 292
    5.4.2 在cache中查找块 295
    5.4.3 替换块的选择 296
    5.4.4 使用多级cache减少缺失代价 297
    5.4.5 通过分块进行软件优化 299
    5.4.6 小结 303
    5.5 可信存储器层次结构 303
    5.5.1 失效的定义 303
    5.5.2 纠1检2汉明码(SEC/DED) 305
    5.6 虚拟机 308
    5.6.1 虚拟机监视器的要求 309
    5.6.2 指令集体系结构(缺乏)对虚拟机的支持 309
    5.6.3 保护和指令集体系结构 310
    5.7 虚拟存储器 310
    5.7.1 页的存放和查找 313
    5.7.2 缺页故障 315
    5.7.3 用于大型虚拟地址的虚拟内存 316
    5.7.4 关于写 318
    5.7.5 加快地址转换:TLB 318
    5.7.6 Intrinsity FastMATH TLB 319
    5.7.7 集成虚拟存储器、TLB和cache 322
    5.7.8 虚拟存储器中的保护 323
    5.7.9 处理TLB缺失和缺页 324
    5.7.10 小结 326
    5.8 存储器层次结构的一般框架 328
    5.8.1 问题1:块放在何处 328
    5.8.2 问题2:如何找到块 329
    5.8.3 问题3:cache缺失时替换哪一块 330
    5.8.4 问题4:写操作如何处理 330
    5.8.5 3C:一种理解存储器层次结构行为的直观模型 331
    5.9 使用有限状态机控制简单的cache 332
    5.9.1 一个简单的cache 333
    5.9.2 有限状态机 333
    5.9.3 一个简单cache控制器的有限状态机 335
    5.10 并行与存储器层次结构:cache一致性 336
    5.10.1 实现一致性的基本方案 337
    5.10.2 监听协议 337
    5.11 并行与存储器层次结构:廉价冗余磁盘阵列 339
    5.12 主题:实现cache控制器 339
    5.13 实例:ARM Cortex-A53和Intel Core i7的存储器层次结构 339
    5.14 实例:ARMv8系统的剩余部分以及特殊指令 343
    5.15 加速:cache分块和矩阵乘法 345
    5.16 谬误与陷阱 346
    5.17 本章小结 349
    5.18 历史观点与拓展阅读 350
    5.19 练习题 350
    第6章 并行处理器:从客户端到云 362
    6.1 引言 362
    6.2 创建并行处理程序的难点 364
    6.3 SISD、MIMD、SIMD、SPMD和向量 367
    6.3.1 x86中的SIMD:多媒体扩展 368
    6.3.2 向量 368
    6.3.3 向量与标量 370
    6.3.4 向量与多媒体扩展 370
    6.4 硬件多线程 372
    6.5 多核和其他共享内存多处理器 375
    6.6 图形处理单元 378
    6.6.1 NVIDIA GPU体系结构简介 379
    6.6.2 NVIDIA GPU存储结构 380
    6.6.3 正确理解GPU 381
    6.7 集群、仓储式计算机和其他消息传递多处理器 383
    6.8 多处理器网络拓扑简介 386
    6.9 与外界通信:集群网络 389
    6.10 多处理器基准测试程序和性能模型 389
    6.10.1 性能模型 391
    6.10.2 Roof?line模型 392
    6.10.3 两代Opteron的比较 393
    6.11 实例:Intel Core i7 960
     和NVIDIA Tesla GPU的评测及Roof?line模型 396
    6.12 加速:多处理器和矩阵乘法 399
    6.13 谬误与陷阱 402
    6.14 本章小结 403
    6.15 历史观点与拓展阅读 405
    6.16 练习题 405
    附录A 逻辑设计基础 414
    索引 470
    网络内容
    附录B 图形处理单元
    附录C 控制器的硬件实现
    附录D RISC指令集体系结构

    视频资源

    本书非常经典,所以慕课上有相应的课程,大家觉得书本读起来无聊的时候可以结合视频区学习,mooc地址:

    https://www.icourse163.org/course/ZJU-1452997167?from=searchPage

    PS:书本和视频不是很匹配但是视频的参考图书就是这本书,会给入门的同学一点启发。

    94f985b5656779113294b05d1d24b3b4.png

    图书链接

    中英文版本:

    链接:https://pan.baidu.com/s/1Yi2FhTzKghJX0rdEoIMz-g 提取码:open

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    小程序链接

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    写在最后

    分享的图书只供大家学习使用,切勿进行商业通途,否则后果自负。大家觉得有所收获请购买正版书籍进行研读。

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    IP手册pg057FIFO GeneratorFIFO生成器IP使用手册
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  • —— 《计算机组成与设计 硬件/软件接口》 数据结构算法 数据结构算法尤其重要呀,校招大厂就特别爱考察,还没练起算法的同学,抓紧啦! 数据库 Mysql 两本高分的。 Redis 经典之作,重点看前三章,redis 的...

    大家好,我是小林哥。

    平日里,大家都喊程序员加班多很辛苦,动不动就掉头发,但干的还是很香的,毕竟大多数公司钱还是给的很到位的,今年毕业应届生的我见到好多动不动就月薪 20K~30K 的,真让人两眼泪酸酸,当然这离不开他们大学期间的努力。

    讲真,没什么家庭背景的人,选择当程序员确实是比较好的选择了,原因有二:

    • 首先,当今互联网、AI 人工智能、大数据等都是高速发展的行业,自然人才需求很多,薪资也相对其他传统行业高;
    • 第二,纯粹看你技术能力,只要自己愿意付出努力,技术能力肯定会慢慢提高上来,而且现在比起几十年前,学习资料也越来越多,且越来越优质;

    虽然我们身处时代的红利,但是它是高速发展的,技术也是在一直迭代更新的,停止学习,只会被时代 game over,相当很残酷,所以日常学习是我们程序员,不可缺少的一个习惯。学到秃,你不想变强,都会变强。

    那说到学习,那必然离不开书呀,小林也在豆瓣逛一圈,把高分的书推荐给大家

    其实这些计算机基础完全是可以自学的,不管你是不是计算机专业的同学,只要你认认真真跟着网课和自己看书学习,绝对超过大多数所谓的科班毕业的同学!

    我也整理一套系统化学习cs的书籍,数据结构,计算机网络,数据库,计算机组成原理,操作系统这些统统都有。

    这次分享给大家,点击获取方式计算机必读书籍(含下载方式)包含据结构与算法、计算机网络、数据库、计算机组成原理、操作系统、Java、C/C++

    计算机网络

    如果你要入门 HTTP,首先最好书籍就是《图解 HTTP》了,作者真的做到完完全全的「图解」,小林的图解功夫还是从这里偷学到不少,书籍不厚,相信优秀的你,几天就可以看完了。

    在这里插入图片描述

    如果要入门 TCP/IP 网络模型,我推荐的是《图解 TCP/IP》,这本书也是以大量的图文来介绍了 TCP/IP 网络模式的每一层,但是这个书籍的顺序不是从「应用层 —> 物理层」,而是从「物理层 -> 应用层」顺序开始讲的,这一点我觉得不太好,这样一上来就把最枯燥的部分讲了,很容易就被劝退了,所以我建议先跳过前面几个章节,先看网络层和传输层的章节,然后再回头看前面的这几个章节。

    在这里插入图片描述

    另外,你想了解网络是怎么传输,那我推荐《网络是怎样连接的》,这本书相对比较全面的把访问一个网页的发生的过程讲解了一遍,其中关于电信等运营商是怎么传输的,这部分你可以跳过,当然你感兴趣也可以看,只是我觉得没必要看。

    在这里插入图片描述

    对于 TCP/IP 网络模型深入学习的话,推荐《计算机网络 - 自顶向下方法》,这本书是从我们最熟悉 HTTP 开始说起,一层一层的说到最后物理层的,有种挖地洞的感觉,这样的内容编排顺序相对是比较合理的。

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    但如果要深入 TCP,前面的这些书还远远不够,赋有计算机网络圣经的之说的《TCP/IP 详解 卷一:协议》这本书,是进一步深入学习的好资料,这本书的作者用各种实验的方式来细说各种协议,尤其是 TCP 部分写的很好(我也只看了这书的 TCP 部分,嘻嘻),这本书买第一版本就好了,第二版本翻译的有问题。

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    操作系统

    我看的第一本操作系统书是《现代操作系统》,这本书也是大家力推的入门操作系统的教材,有很多常见的面试题都基本是出自这里的,比如哲学家就餐、读者写者等问题。如果单纯看书觉得比较枯燥,可以搭配 B 站清华大学操作系统课程一起学习。

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    华为鸿蒙操盘手陈海波大神,也出了一本新书《现代操作系统:原理与实现》,是由上海交通大学陈海波、夏虞斌领衔撰写。由浅入深介绍现代操作系统经典理论与方法,结合前沿研究与工业界实践,面向真实场景与真实问题。全新打造 ChCore 微内核系列课程实验,建立对操作系统的第一手实践经验。

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    这本被称为神书的《深入理解计算机系统》,豆瓣评分高达 9.8 分,这本书严格来说不算操作系统书,它是以程序员视角理解计算机系统,不只是涉及到操作系统,还涉及到了计算机组成、C 语言、汇编语言等知识,是一本综合性比较强的书。

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    计算机组成原理

    小林最近写的有关 CPU 文章,算是计算机组成的系列了。计算机组成大部分人会认为是硬件开发的人才需要接触,软件开发的人不用了解,我觉得这个观点是不对的,你写的程序也是运行在计算机上的,并且实际上计算机组成原理有些知识还是跟软件有关系的,那就有一本很适合软件开发人员了解的书 —— 《计算机组成与设计 硬件/软件接口》

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    数据结构与算法

    数据结构与算法尤其重要呀,校招大厂就特别爱考察,还没练起算法的同学,抓紧啦!

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    数据库

    Mysql 两本高分的书。

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    Redis 经典之作,重点看前三章,redis 的数据结构,持久化,主从复制,哨兵模式,这些都是常考的面试题。

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    Java

    小林虽然不是搞 Java 的,但是请教了搞 Java 大佬,我把他推荐的书也放在这啦,Java 同学可以参考参考。
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    C/C++

    对于想入门 C 语言的同学,可以看看这本黑皮经典书籍。

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    C++ 最好的入门书,就是这本了。

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    入门完 C++ 下,我们也不能停下脚步,快马加鞭进入进阶的节奏。

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    Linux

    Linux 命令入门的好书,跟着鸟叔一起敲 Linux 命令,很快就能入门了。

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    熟悉了 Linux 命令后,我们就从编程的角度来学习 Linux,这里有几本好书。
    在这里插入图片描述

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    什么?你还想再深入 Linux 系统,那就来啃 Linux 内核代码吧,保证你对操作系统由有新的认识。在这里插入图片描述

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    絮叨絮叨

    小林在 CSDN 写了很多图解网络和操作系统的系列文章,很高兴收获到很朋友的认可和支持,正好最近图解网络和操作系统的文章连载的有 20+ 篇了,也算有个体系了。

    在这里插入图片描述

    所以为了方便大家阅读,小林把自己原创的图解网络和图解操作系统整理成了 PDF,一整理后,没想到每个图解都输出了 15 万字 + 500 张图,质量也是杠杠的,有很多朋友特地私信我,看了我的图解拿到了大厂的offer。

    图解系统 PDF 开源下载:图解系统 PDF 下载地址(点击)

    图解网络 PDF 开源下载:图解网络 PDF 下载地址(点击)


    最后祝大家前程似锦,在编码的道路上一马平川。

    如果文章对你帮助的话,可以给我点个赞,点个收藏,评论下更先显温情!

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  • 计算机组成与设计RISC-V版笔记

    千次阅读 2020-12-16 16:00:49
    文章目录计算机组成与设计第一章1.1计算机应用的分类(重点)**个人计算机**(PC)**服务器**(Sever)**超级计算机**(Supercomputer)**嵌入式计算机**(Embedded computer)**个人移动设备**(PMD)**云计算**...

    计算机组成与设计第一章

    1.1计算机应用的分类(重点)

    个人计算机(PC)

    ​ 用于个人使用的计算机,通常包括图形显示器、键盘和鼠标等。

    服务器(Sever)

    1. 用于为多用户运行大型程序的计算机,通常由多个用户并行使用,并且一般通过网络访问。
    2. 服务器适用于执行大负载任务,也可以执行单个复杂应用和大量简单作业。
    3. 与个人计算机相比制造技术差不多,但能提供更强的计算、存储和I/O能力。
    4. 通常情况下,发生故障时,服务器比个人计算机恢复的代价高得多,因此服务器更加强调可靠性。

    超级计算机(Supercomputer)

    1. 一般配置为服务器,具有高性能和高成本的一类计算器。
    2. 超级计算机也可以称为高端服务器。一般由成百上千台处理器组成,内存为Terabyte级(一般简写为TB,原始定义为1099511627776(2的40次方)字节,但有有些通信系统将其重新定义为(10的20次)方字节。一般使用术语tebibyte(TiB)表示(2的40次方)字节,而terabyte指(10的12次方)字节。),价格可高达上亿美元。
    3. 主要用于高端科学和工程计算,如天气预报、石油勘测、蛋白质结构计算等大规模问题。
    4. 代表最高计算能力,在服务器中占相对很小的一部分。

    嵌入式计算机(Embedded computer)

    1. 嵌入到其他设备中的计算机,一般运行预定义的一个或者一组应用程序。
    2. 使用数量最多的一类计算机,应用和性能十分广泛。
    3. 对成本和功耗有严格限制,对故障非常敏感。

    个人移动设备(PMD)

    1. 连接到网络上的小型无线设备。PMD由电池供电,通过下载APP的方式安装软件。
    2. 智能手机和平板电脑是典型的PMD。

    云计算(Could computing)

    1. 云计算代替了传统的服务器,依赖于称为仓储规模计算机的巨型数据中心。
    2. 可为PMD提供软件服务,通过云计算实现软件即服务
    3. 在网络上提供服务的大服务器集群,一些运营商根据应用需求出租不同数量的服务器。

    image-20201211094013363

    1.2计算机系统结构中的八个伟大思想(重点)

    面向摩尔定律的设计

    摩尔定律是指单芯片上的集成度每18~24个月翻一番,此定律是由Intel的创始人之一的Gordon Moore 在1965年对集成电路集成度做出的预测。

    几十年来一直按此规律进行,虽然近些年来不太适用。但此定律却说明了计算机计算性能的飞速进步。

    由于计算机设计需要几年时间,因此在项目结束时,单芯片的集成度相对于设计开始时很容易翻一番甚至翻两番。

    使用抽象简化设计

    计算机架构师和程序员必须发明能够提高产量的技术,否则设计时间也将会像资源规模一样按照摩尔定律增长。提高硬件和软件生产率的主要技术之一是使用抽象来表示不同设计层次,在高层次中 看不到低层次的细节,只能看到一个简化的模型。

    加速大概率事件

    大概率事件通常比小概率事件简单,从而易于提高。大概率事件规则意味着设计者需要知道什么事件是经常发现的,这只有通过仔细的裕与评估才能得出。可以把加速大概率事想象成一辆赛车,由于通常情况下只有一两名乘客,因此提高赛车的速度要比提高小型货车的速度容易

    通过并行提高性能

    从计算的诞生开始,计算机设计者就通过并行(parallel)执行操作来提高性能。

    通过流水线提高性能

    在计算机系统结构中,一个特别的并行性场景就是流水线,例如许多西部片中,一些坏人在制造火灾,在消防车出现之前会有一个“消防队列”来灭火—小镇的居民们排成一排通过水桶接力快速将水桶从水源传至火场,而不是每个人都来回奔跑。可以把流水线想象成一系列水管,其中每一块代表一个流水级。隐含分层思想,将工作细化,专人专事。

    通过流水线提高性能

    遵循谚语“求人准许不如求人原谅”,最后一个传大的思想就是预测。在某些情况下,如果假定从误预测恢复执行代价不高并且预测的准确率相对较高,则通过猜测的方式提前开始某些操作,要比等到确切知道这些操作应该启动时才开始要快一些。

    存储器层次

    存储器的速度通过影响性能,通过分层来解决相互矛盾的需求

    通过冗余提高可靠性

    计算机不仅需要速度快,还需要工作可靠。由于任何一个物理器件都可能失效,因此可以通过使用冗余部件的方式提高系统的可靠性,冗余部件可以替代失效部件并可以帮助检测错误

    1.3程序表象之下(重点)

    计算机设计中一个伟大思想抽象的例子

    我们知道计算机中的硬件只能执行极为简单的低级指令。
    而一个典型的程序,比如字处理程序或者大型数据库处理系统,可由数百万代码构成,依靠软件库来实现异常复杂的功能。
    因此从从复杂的应用程序到简单的指令需要经过几个软件层次来将复杂的高层次逐步解释或翻译成简单的计算机命令。
    

    简化的硬件和软件层次图image-20201211093956617

    这些程序软件的层次结构,外层是应用软件,中心是硬件是硬件,系统软件位于两者之间。

    系统软件:提供常用服务的软件,包括操作系统、编译程序、加载程序和汇编程序等。
    

    在复杂的应用中,通常存在多层应用软件层。

    例如:

    一个数据库系统可运行于系统软件之上,而驻留在该系统上的某应用反过来又运行在该数据库上。
    

    系统软件的组成

    操作系统(operating system):为了使程序更好地在计算机上运行而管理计算机资源的监控程序。
    编译程序(compiler):把高级语言编写的程序翻译成硬件能执行的指令。翻译过程相当复杂,简要介绍。
    

    image-20201211094228750

    计算机语言

    电子硬件传递信号的方式是通过电信号的发送。因此对于计算机来说,最简单的信号就是“通”与“断”,只用2个符号“1”与“0”来表示,每一个符号就是二进制元数字中的一个二进制位(binary digit)或一位(bit)。

    二进制位:基数为2的数字中的0或1,它是信息的基本组成。
    指令:计算机硬件所能理解并服从的命令。
    

    由此第一代的程序员就直接使用二进制数与计算机通信,但是这是一项及其枯燥的工作,所以设计人员开发了一种称为汇编程序的软件。

    汇编程序:将指令由助记符形式翻译成二进制的程序。
    

    例如:

    add A,B
    

    汇编程序会将其翻译成:

    1000110010100000

    这一种语言即汇编语言。而机器可以理解的二进制语言为机器语言。

    汇编语言:以助记符形式表示的机器指令。
    机器语言:以二进制元形式表示的机器指令。
    

    但是汇编语言还是要求程序员像计算机一样思考。生产率低。

    设计人员开始认识到编写一个程序来将更强大的高级语言翻译成计算机指令,即高级编程语言。

    高级语言及其编译程序极大的提高了生产效率。

    简单的例子说明之间的关系。

    高级编程语言:如C\C++\JAVA\Visual Basic等可移植的语言,由一些单词和代数符号组成,可以由编译器转化为汇编语言。
    

    高级应用程序(使用c语言)

    swap(int v[],int k)
    {
        int temp;
        temp=v[k];
        v[k]=v[k+1];
        v[k+1]=temp;
    }
    

    编译后

    汇编语言程序(MIPS指令集)

    swap:
    	multi $2, $5,4
    	add   $2, $4,$2
    	lw    $15, 0($2)
    	lw    $16, 4($2)
    	sw    $16, 0($2)
    	sw    $15, 4($2)
    	jw    $31
    

    汇编后

    二进制机器语言程序(MIPS指令集)

    image-20201211103544273

    1.4箱盖后的硬件

    计算机的基础硬件的基本功能:输入数据、输出数据、处理数据和存储数据。
    

    关系图如下:image-20201211105541535

    image-20201211105608691

    部分名词解释:

    输入数据:为计算机提供信息的装置。如键盘、鼠标。
    
    输出数据:将计算结果输出到用户或其他计算机装置。如显示器。
    
    液晶显示:用液体聚合物薄层的带电或者不带电来传输或者阻止光线的传播。
    
    动态矩阵显示:液晶显示技术。
    
    像素:图像元素的最小单元。屏幕由成千上万的像素组成的矩阵而形成。
    
    集成电路(芯片):将几十个至几百万个晶体管连接起来的设备。
    
    中央处理器单元:数据通路和控制器,能将数字相加,测试结果。
    
    数据通路:处理器执行算数的部分。
    
    控制器:指令指挥数据通路、存储器、和输入、输出设备的部分。
    
    内存:程序运行时的存储空间,同时存储程序运行时需要的数据。
    
    DRAM:动态随机访问存储器,集成电路形式的存储器,可随机访问任何地址的内存。
    
    缓存:小而快的存储器。一般作为大而慢的存储器的缓存。
    
    静态随机访问存储器:一种集成电路形式的存储器。
    
    指令集体系结构(体系结构):低层次软件和硬件之间的抽象接口。
    
    应用二进制接口:用户部分指令加上应用程序员调用的操作系统接口,定义了二进制层次可移植的计算机标准。
    
    实现:遵循体系结构抽象的硬件。
    
    易失性存储器:仅在加电时保存数据。
    
    非易失性存储器:在掉电时依然可以保持数据的存储器,用于存储运行之间的程序,如DVD.
    
    主存储器:用来保存运行中的程序。
    
    二级存储器:非易失性存储器,用来保存两次运行之间的程序和数据。
    
    磁盘:也叫硬盘。
    
    内存:一种非易失性半导体内存,价格比磁盘高,速度比磁盘快。
    

    除了上面所说的经典部件还有一项不可缺少的功能:计算机网络。

    联网计算机

    image-20201211105937469

    局域网:一种在一定地理区域(如一栋大楼里)使用的传输数据的网络。
    广域网:一种可将区域扩展到几百千米范围的网络。
    

    1.5处理器和存储器的制造技术

    晶体管:一种由电信号控制的简单开关。
    

    集成电路是由成千上万个晶体管组成的芯片。

    摩尔定律引用“超大规模”术语中,即超大规模集成电路。

    超大规模集成电路:由数十万到数百万晶体管组成的电路。
    

    要了解集成电路的制作过程,首先知道原材料硅的特性。

    硅:一种自然因素,半导体。
    
    半导体:一种导电性能不好的物质。
    

    用特殊的化学方法对硅添加某些材料,可以将把细微的区域转变成三种类型之一。

    • 良好的导电体
    • 良好的绝缘体
    • 可控导电体或绝缘体

    芯片制造的全过程:

    image-20201211110351275

    硅锭:一块由硅晶体组成的棒。
    
    晶圆:厚度不超过0.1英寸的硅锭片,用来制作芯片。
    

    但是在晶圆中或是在图样化的几十个步骤中出现一个细微的瑕疵就会使其附近的电路损坏,这些瑕疵使得制造一个完美的晶圆几乎是不可能的。

    有几种策略可以解决这一问题。

    • 把晶圆切分成许多独立的晶圆,也就是现在的芯片。通过切分,可以只淘汰有瑕疵的芯片,而不用淘汰整个晶圆。

    这一个量化过程描述可以用成品率来表示。

    瑕疵:晶圆上一个微小的缺陷,在图样化中因为包含这个缺陷而导致芯片失效。
    
    芯片:从晶圆中切割出来的一个单独的矩形空间。
    
    成品率:合格芯片数占总芯片数的百分比。
    
    • 进行尺寸收缩,从而改进每晶圆的芯片数和成品数。
    集成电路成品取决于成品率以及芯片和晶圆的体积,与芯片面积之间的关系一般不是线性。
    

    1.6性能(重点中的重点)

    性能定义

    如果你在两台不同的计算机运行相同的程序,首先完成任务的计算机就更快。
    
    但如果你运行的是一个数据中心,有几台服务器提供用户投放作业,那应该是一天内完成作业最多的那台计算机快。
    

    所以不同使用途径对性能的要求也不一样

    个人用户计算机会对降低响应时间有大的要求。
    
    数据中心更多关注吞吐率。
    

    响应时间:

    • 也叫执行时间,是计算机完成某任务所需的总时间。
    • 包括硬盘访问、内存访问、I/O活动、操作系统开销和CPU执行时间等。

    吞吐率

    • 也叫带宽,性能的另一种度量参数,表示单位时间内完成任务的数量

    一般来说,降低响应时间几乎都可以增加吞吐率。

    但是当需要处理更多任务时,系统可能需要令后续请求排队。

    在这种情况下,随着吞吐率的增加,可同时改进响应时间,因为缩小了排队等候的时间。

    因此实际计算机中,响应时间和吞吐率往往相互影响。

    使性能最大化方法:

    希望任务的响应时间或执行时间最小化。
    
    	1.增加性能
    
    	2.降低执行时间
    

    表达式:

    性能 = 1 / 执行时间
    

    例题:吞吐率和响应时间

    见PDF 22页最下面

    例题:相对性能

    ​ 如果计算机A运行一个程序只需要10秒,而计算机B运行同样的程序需要15秒,那么计算机A比计算机B快多少?

    答:我们知道,如果

    ​ 性能A/性能B=执行时间B/执行时间A=n

    ​ 则计算机A的执行速度是计算机B的n倍,故性能之比为

    ​ 15/10=1.5

    ​ 因此A的执行速度是计算机B的1.5倍

    ​ 在以上的例子中,我们可以说,计算机B比计算机A慢1/3 因为

    ​ 性能A/性能B = 1.5

    ​ 意味着

    ​ 性能A/1.5 = 性能B

    性能的度量

    计算机在运行程序所需的时间要与一般的响应时间区分开。

    我们可以使用CPU执行时间,表示在CPU上花费的时间,不包括等待I/O或运行其他程序的时间。

    (用户所感受到的是程序响应时间,而不是CPU时间)

    CPU执行时间可以细分为

    1.用户程序的响应时间。(用户CPU时间)
    2.操作系统为用户服务花去的CPU时间。(系统CPU时间)
    

    使用术语系统性能表示空载系统的响应时间,用CPU性能表示用户CPU时间。

    时钟周期和时钟长度

    时钟周期:为计算机一个时钟周期的时间,通常是处理器时钟。

    时钟长度:每个时钟周期持续的时间长度。

    关系:例如时钟周期为250ps,对应的时钟频率为4GHz。

    CPU性能及其因素

    公式:

    一个程序的CPU执行时间 = 一个程序的CPU时钟周期 * 时钟周期时间(/时钟频率)
    

    改进性能:

    1.减少程序的CPU时钟周期数。
    
    2.减少时钟周期时间。
    

    指令的性能

    公式:

    CPU时钟周期数 = 程序的指令数 * 每条指令的平均时钟周期数
    

    CPI:每条指令的时钟周期数,表示执行某个程序时每条指令所需要的时钟周期平均数。(CPI随着指令组合而变化)

    例题:改进性能

    见PDF 25页最下面

    例题:性能公式的使用

    见PDF 26页最下面

    经典的CPU性能公式:

    CPU时间 = 指令数 * CPI * 时间周期时间
    
    或
    
    CPU时间 = 指令数 * CPI / 时钟频率
    

    各种因素影响

    image-20201211113145708

    指令数:执行某程序所需要的总指令数

    指令组合:在一个或多个程序中,指令动态使用频率的评价指标,

    image-20201211113329069

    1.7功耗墙

    例题:相对功耗

    见PDF 30页最下面

    1.8实例:Inter Core i7基准

    工作负载

    计算机运行的一组程序集构成了工作负载。

    通过使用一组专门用于测量性能的基准测试程序。

    前面我们已经了解设计计算机的几大思想之一的加速大概率事件的执行。

    所以先必须准确知道哪些是大概率事件,因此基准测试在计算机系统架构中具有非常重要的作用。

    工作负载:一个典型的工作负载必须指明程序和相应的频率。
    
    基准测试程序:用于比较计算机性能的程序。
    

    SPEC CPU 基准测试程序

    SPECINTC2006基准程序在2.6GHz的 Inter Core i7 920的运行结果:image-20201211115143517

    image-20201211115204766

    SPEC功耗基准测试程序:

    image-20201211115240005

    谬误与陷阱

    image-20201211115256670

    image-20201211115315665

    最后,祝你平安喜乐,万事胜意

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