本書包含五個(gè)部分，共18章。*部分是信息系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論，簡要說明組成現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)組件。其余四個(gè)部分分別講述計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)方面。第二部分論述計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的作用和表示方法式。第三部分介紹硬件體系結(jié)構(gòu)和操作的概念，講解計(jì)算機(jī)的組件并展示這些組件如何協(xié)作起來執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令，還探討了CPU、內(nèi)存和I/O外設(shè)之間的交互。第四部分對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理進(jìn)行介紹。第五部分探討系統(tǒng)軟件，即用戶和應(yīng)用程序可訪問的、管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和組件資源的程序。除了教材中使用的大量實(shí)例外，網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充章節(jié)也提供了很多實(shí)例研究。
目前，世界上有不少便捷、有用的在線學(xué)習(xí)資源，維基百科、谷歌、各種新聞源、數(shù)以百萬計(jì)的網(wǎng)站和博客，甚至是YouTube，幾乎可以提供任意主題的信息訪問，這些主題能觸發(fā)你的好奇心，激發(fā)你的學(xué)習(xí)興趣。然而，我仍然認(rèn)為，要深入理解某個(gè)東西，老式的紙質(zhì)印刷教材仍然是一種綜合式的重要方法，并且無可替代。或許電子書可以與之媲美，但它也屬于教材。
每當(dāng)我打開一本新書時(shí)，不管什么主題，我想知道的第一件事情就是這本書提供了哪些內(nèi)容，是否值得去讀。對(duì)于此刻你手里拿著的或平板電腦上的這本書，我愿意試著回答這個(gè)問題。
信息系統(tǒng)和技術(shù)領(lǐng)域是一個(gè)非常令人興奮的領(lǐng)域，似乎每天都有新的發(fā)展，這些發(fā)展能改變我們產(chǎn)生和使用信息的方式。當(dāng)然，這也帶來了挑戰(zhàn)。要成為信息系統(tǒng)或信息技術(shù)領(lǐng)域的成功人士，我們必須具有適應(yīng)性和靈活性。
很多變化都是圍繞著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)而發(fā)生的，畢竟計(jì)算機(jī)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是取得成功的基本要素。我們必須掌握每項(xiàng)新技術(shù)，評(píng)估其價(jià)值，并將其放入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系里。
本書的主題是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)描述了數(shù)字計(jì)算機(jī)和基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)關(guān)注的是硬件的運(yùn)行方法，操作系統(tǒng)軟件提供的服務(wù)，數(shù)據(jù)的獲取、處理、存儲(chǔ)和輸出，以及基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備之間的交互。
有這樣一種傾向，就是信息系統(tǒng)和技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人員常常會(huì)忽視計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。畢竟，技術(shù)變化如此之快—到我寫完本書的時(shí)候，某些技術(shù)可能已經(jīng)過時(shí)，那么是否還值得去理解它們？毫無疑問，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展非常快。智能手機(jī)的計(jì)算能力比25年前的大型計(jì)算機(jī)強(qiáng)很多，內(nèi)存、硬盤和閃存的容量，顯示和多媒體能力以及易用性等在幾年前都是不可想象的。更重要的是，現(xiàn)在將系統(tǒng)連接在一起協(xié)同工作，也是十分平常和簡單的。
然而很有意思的是，在過去的70年里，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要概念變化并不大。一些新技術(shù)仍然基于多年前提出的基本體系結(jié)構(gòu)概念。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)40年代開發(fā)的。現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)里的指令集和20世紀(jì)五六十年代的計(jì)算機(jī)指令集幾乎一樣。現(xiàn)代操作系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)于20世紀(jì)60年代，圖形用戶界面是基于20世紀(jì)60年代的一個(gè)項(xiàng)目而開發(fā)的，互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建也是來自40多年前提出的概念。
可見，理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)使我們能夠立于技術(shù)變化的浪潮之中，處理新技術(shù)時(shí)會(huì)充滿安全感、充滿樂趣。當(dāng)你讀完本書時(shí)，將會(huì)掌握大量關(guān)于計(jì)算機(jī)工作原理的知識(shí)，能夠很好地理解操作概念以及組成計(jì)算機(jī)的硬件和系統(tǒng)軟件。你會(huì)明白計(jì)算機(jī)間以及數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)間的交互。除此之外，你會(huì)學(xué)到很多專業(yè)術(shù)語，這在聚會(huì)和工作面試時(shí)能“炫耀”一下。
本書是面向各個(gè)層次的讀者設(shè)計(jì)的，既適合本科生也適合研究生，內(nèi)容針對(duì)信息系統(tǒng)和信息技術(shù)專業(yè)。盡管本書假定學(xué)生已經(jīng)熟悉個(gè)人計(jì)算機(jī)，但并不要求具有明確的預(yù)備知識(shí)。本書也假定學(xué)生掌握（并非必須掌握）一定的編程技術(shù)，盡管書中并無程序設(shè)計(jì)。書里的程序代碼有時(shí)會(huì)用作例子來澄清一些思想，程序設(shè)計(jì)的知識(shí)對(duì)于理解指令集設(shè)計(jì)和程序執(zhí)行概念很有幫助。本書的內(nèi)容遵照信息技術(shù)基礎(chǔ)建設(shè)課程和核心概念標(biāo)準(zhǔn)，同ACM、AIS標(biāo)準(zhǔn)IS2010以及IT2008描述的一樣。盡管作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案課程的教材時(shí)，本書的內(nèi)容或許更有用，但在課程計(jì)劃中本書可放置在任意位置。
大部分老師在一學(xué)期內(nèi)講不完本書。在組織上，本書允許老師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生的需求，選擇不同深度的重要模塊來講述。另一方面，我寫本書的目的是，在正規(guī)課程完成很久以后，它也可以作為學(xué)生的參考書。專業(yè)人士可借此查閱一些基本概念，了解最新發(fā)展。
本書是我在本特利大學(xué)給本科生和研究生講授30多年計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)課程的結(jié)晶。總的來說，學(xué)生對(duì)其內(nèi)容和方法非常歡迎。很多學(xué)生畢業(yè)后返校時(shí)告訴我，他們的職業(yè)發(fā)展直接受益于本領(lǐng)域的知識(shí)。隨著時(shí)間的推移，學(xué)生的評(píng)論對(duì)我不斷改進(jìn)本書也有很大的幫助。
熟悉以前版本的人會(huì)注意到，近年的版本進(jìn)行了大幅修訂，以反映當(dāng)前的技術(shù)實(shí)踐和趨勢(shì)。特別是，不考慮將計(jì)算機(jī)連接在一起的網(wǎng)絡(luò)而是一個(gè)部件一個(gè)部件地論述計(jì)算機(jī)，這種方法不再合適了。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已完整包含在相應(yīng)的章節(jié)里；同時(shí)，作為系統(tǒng)整體，本書進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的集成和協(xié)同工作。當(dāng)然，基本的原理、組成、方法和早期版本中的內(nèi)容還是大體一樣的，這反映了基本原理不變的本質(zhì)。
第5版的組織結(jié)構(gòu)
作為本書的作者，對(duì)我來說最大的挑戰(zhàn)是既要保持第1版建立的指導(dǎo)思想不變，又要反映出計(jì)算機(jī)使用方式、新技術(shù)快速部署的主要變化，以及反映這些變化的信息系統(tǒng)/信息技術(shù)教程的演變。本書對(duì)以前版本進(jìn)行了重大更新，雖然這種更新是增量式的。這反映了作為重要計(jì)算設(shè)備的平板電腦和智能手機(jī)的使用量的快速增長。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)容有較大的變動(dòng)，進(jìn)行了重新組織。當(dāng)然，以前版本的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)很多內(nèi)容是相似的，畢竟計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本原理本質(zhì)上保持很多年未變了，雖然在信息系統(tǒng)/信息技術(shù)中，但計(jì)算機(jī)的使用方式可能已經(jīng)改變了。
本書分為五個(gè)部分，總共18章，外加四個(gè)放
---作者簡介---
埃夫﹒恩格蘭德（Irv Englander） 本特利大學(xué)榮休教授。他擁有麻省理工學(xué)院（MIT）計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位，從事計(jì)算機(jī)方面的研究已經(jīng)超過50年，涉及邏輯電路、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等眾多領(lǐng)域。
---譯者簡介---
朱利 西安交通大學(xué)軟件學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任教學(xué)科研副院長。主要研究方向包括高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算，以及軟件度量和質(zhì)量控制。
出版者的話
譯者序
前言
第一部分 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述
第1章 計(jì)算機(jī)和系統(tǒng) 3
1.0 引言 3
1.1 起點(diǎn) 6
1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 8
1.2.1 硬件組件 9
1.2.2 軟件組件 11
1.2.3 通信組件 12
1.2.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 12
1.3 虛擬化的概念 14
1.4 協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn) 14
1.5 本書概覽 15
1.6 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)簡史 16
1.6.1 早期工作 17
1.6.2 計(jì)算機(jī)硬件 18
1.6.3 操作系統(tǒng) 20
1.6.4 通信、網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng) 24
小結(jié)與回顧 25
擴(kuò)展閱讀 25
復(fù)習(xí)題 26
習(xí)題 26
第2章 系統(tǒng)概念和系統(tǒng)架構(gòu)簡介 27
2.0 引言 27
2.1 系統(tǒng)的一般概念 27
2.2 IT系統(tǒng)的架構(gòu) 32
2.2.1 分布式處理系統(tǒng) 34
2.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)師的作用 42
2.2.3 谷歌：系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)例 42
2.2.4另一個(gè)實(shí)例：Facebook的應(yīng)用架構(gòu) 45
小結(jié)與回顧 46
擴(kuò)展閱讀 47
復(fù)習(xí)題 47
習(xí)題 47
第二部分 計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)
第3章 數(shù)值系統(tǒng) 51
3.0 引言 51
3.1 作為物理表示的數(shù)值 51
3.2 不同進(jìn)制的計(jì)數(shù) 52
3.3 不同進(jìn)制下的算術(shù)運(yùn)算 55
3.4 不同進(jìn)制下的數(shù)值轉(zhuǎn)換 57
3.5 十六進(jìn)制數(shù)和算術(shù) 59
3.6 特殊轉(zhuǎn)換情況—相關(guān)的進(jìn)制 60
3.7 小數(shù) 61
3.8 混合數(shù)值轉(zhuǎn)換 65
小結(jié)與回顧 65
擴(kuò)展閱讀 66
復(fù)習(xí)題 66
習(xí)題 67
第4章 數(shù)據(jù)格式 70
4.0 引言 70
4.1 概述 70
4.2 字母字符數(shù)據(jù) 72
4.3 可視數(shù)據(jù) 77
4.3.1 位圖圖像 78
4.3.2 對(duì)象圖像 81
4.3.3 將字符表示為圖像 83
4.3.4 視頻圖像 84
4.4 音頻數(shù)據(jù) 85
4.5 數(shù)據(jù)壓縮 87
4.6 頁面描述語言 89
4.7 計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式 89
小結(jié)與回顧 91
擴(kuò)展閱讀 92
復(fù)習(xí)題 92
習(xí)題 93
第5章 數(shù)值數(shù)據(jù)表示 96
5.0 引言 96
5.1無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制表示 96
5.2 有符號(hào)整型數(shù)的表示 99
5.2.1 符號(hào)-幅值表示法 99
5.2.2以9為基的十進(jìn)制補(bǔ)碼表示和以1為基的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示 101
5.2.3 10的補(bǔ)碼和2的補(bǔ)碼 105
5.2.4 溢出條件和進(jìn)位條件 107
5.2.5 其他進(jìn)制 108
5.2.6 補(bǔ)碼數(shù)值的規(guī)則小結(jié) 109
5.3 實(shí)數(shù) 109
5.3.1 指數(shù)記數(shù)法回顧 109
5.3.2 浮點(diǎn)數(shù)格式 111
5.3.3 規(guī)格化和浮點(diǎn)數(shù)的格式化 113
5.3.4 編程實(shí)例 114
5.3.5 浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算 115
5.3.6 計(jì)算機(jī)中的浮點(diǎn)數(shù) 117
5.3.7 十進(jìn)制和二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換 119
5.4 編程注意事項(xiàng) 120
小結(jié)與回顧 120
擴(kuò)展閱讀 121
復(fù)習(xí)題 121
習(xí)題 122
第三部分 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件操作
第6章 “小伙計(jì)”計(jì)算機(jī) 129
6.0 引言 129
6.1 “小伙計(jì)”計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 129
6.2 “小伙計(jì)”計(jì)算機(jī)的操作 130
6.3 一個(gè)簡單的程序 132
6.4 一個(gè)擴(kuò)展的指令集 133
6.5 指令周期 135
6.6 關(guān)于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的說明 138
小結(jié)與回顧 138
復(fù)習(xí)題 138
習(xí)題 139
第7章 CPU和內(nèi)存 141
7.0 引言 141
7.1 CPU的組成 142
7.2 寄存器的概念 143
7.3 內(nèi)存單元 145
7.3.1 內(nèi)存的操作 145
7.3.2 內(nèi)存容量和尋址限制 148
7.3.3 主存的特征和實(shí)現(xiàn) 149
7.4 “取-執(zhí)行”指令周期 150
7.5 總線 153
7.6 指令類型 156
7.6.1數(shù)據(jù)移動(dòng)指令 157
7.6.2 算術(shù)指令 159
7.6.3 布爾邏輯指令 159
7.6.4 單操作數(shù)操作指令 159
7.6.5 位操作指令 160
7.6.6 移位和循環(huán)移位指令 160
7.6.7 程序控制指令 161
7.6.8 棧指令 161
7.6.9 多數(shù)據(jù)指令 164
7.6.10 其他指令 164
7.7 指令字格式 165
7.8 指令字的需求和約束 166
小結(jié)與回顧 168
擴(kuò)展閱讀 169
復(fù)習(xí)題 169
習(xí)題 170
第8章CPU和內(nèi)存：設(shè)計(jì)、增強(qiáng)和實(shí)現(xiàn) 172
8.0 引言 172
8.1 CPU的架構(gòu) 173
8.1.1 概述 173
8.1.2 傳統(tǒng)的現(xiàn)代架構(gòu) 173
8.2 CPU的特征與增強(qiáng) 174
8.2.1 概述 174
8.2.2“取-執(zhí)行”周期的時(shí)序問題 175
8.2.3 一種改進(jìn)CPU性能的模型 176
8.2.4標(biāo)量和超標(biāo)量處理器的組成 179
8.3 內(nèi)存增強(qiáng) 182
8.3.1 寬路徑內(nèi)存訪問 183
8.3.2 內(nèi)存交叉 183
8.3.3 Cache存儲(chǔ)器 184
8.4 現(xiàn)代超標(biāo)量CPU 187
8.5 多處理技術(shù) 189
8.6 關(guān)于實(shí)現(xiàn)的幾點(diǎn)評(píng)述 191
小結(jié)與回顧 192
擴(kuò)展閱讀 192
復(fù)習(xí)題 193
習(xí)題 194
第9章 輸入/輸出 196
9.0 引言 196
9.1 典型I/O設(shè)備的特性 197
9.2 編程式I/O 201
9.3 中斷 203
9.3.1 服務(wù)中斷 203
9.3.2 中斷的使用 204
9.3.3 多重中斷和優(yōu)先次序 208
9.4 直接內(nèi)存訪問 211
9.5 I/O控制器 214
小結(jié)與回顧 215
擴(kuò)展閱讀 215
復(fù)習(xí)題 216
習(xí)題 216
第10章 計(jì)算機(jī)外設(shè) 218
10.0 引言 218
10.1 存儲(chǔ)的層次 219
10.2 固態(tài)存儲(chǔ)器 220
10.3 磁盤 221
10.4 光盤存儲(chǔ) 227
10.5 磁帶 229
10.6 顯示器 230
10.6.1 顯示器的基本設(shè)計(jì) 230
10.6.2 圖形處理單元 232
10.6.3 液晶顯示技術(shù) 234
10.6.4 OLED顯示技術(shù) 234
10.7 打印機(jī) 235
10.7.1 激光打印機(jī) 236
10.7.2 噴墨打印機(jī) 236
10.8 用戶輸入設(shè)備 237
10.8.1 鍵盤
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