编程卓越之道（卷1）:深入理解计算机（第2版）

图书标准信息

• 作者 [美]Randall Hyde（兰德尔海德）
• 出版社 电子工业出版社
• 出版时间 2022-12
• 版次 1
• ISBN 9787121445316
• 定价 150.00元
• 装帧 其他
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 456页
• 字数 0.56千字

【内容简介】

卓越的代码需要利用现代编程语言的先进特性来实现软件功能。但软件最终都要运行在计算机上，无论它是采用哪种编程语言编写的。因此，卓越的软件代码也要充分地利用计算机中的各种资源，将计算机的性能发挥到极致。现代编程语言将这些知识隐藏了起来，容易被我们忽视。因此，《编程卓越之道》系列的第一卷《深入理解计算机》将重点放在软件执行背后的计算机底层上，深入浅出地介绍了计算机体系结构的方方面面，帮助我们理解如何才能写出在计算机上高效运行的代码。本书具体内容包括：数字、字符串及复合数据结构在计算机中的表示形式，以及如何在内存层次结构中访问这些数据；基本的二进制运算、位运算、布尔逻辑，以及如何设计完成运算的中央处理器指令集；输入/输出、大容量存储等丰富多彩的外设，以及把这些外设和计算机相连进行通信的各种总线技术。本书适合软/硬件开发人员及系统程序员、移动及嵌入式设备开发者、体系结构设计人员，以及高校计算机相关专业师生。

【作者简介】

Randall Hyde是The Art of Assembly Language（《汇编语言的编程艺术》）和Write Great Code（《编程卓越之道》） 1~3卷（均由No Starch Press出版），以及Using 6502 Assembly Language和P-Source（由Datamost出版）的作者。他也是Microsoft Macro Assembler 6.0 Bible（由Waite Group出版）一书的合著者。在过去的40年里，Hyde一直从事嵌入式软件/硬件工程师的工作，为核反应堆、交通控制系统和其他电子设备开发相关指令集。他还在加州理工大学波莫纳分校和加州大学河滨分校教授计算机科学课程。

覃宇，Thoughtworks咨询师/应用架构专家，12年软件开发经验，移动应用开发专家，作为架构师和技术教练专注于辅导客户团队改进持续交付实践。译有《Kotlin实战》、《领域驱动设计精粹》、《Serverless架构：无服务器应用与AWS Lambda》和《云原生安全与DevOps保障》；合著有《代码管理核心技术及实践》。

【目录】

1 编写卓越代码须知 1 

1.1　《编程卓越之道》系列 1 

1.2　本书涵盖的主题 2 

1.3　阅读本书的前提 4 

1.4　卓越代码的特征 5 

1.5　本书要求的环境 6 

1.6　额外建议 7 

1.7　更多信息 7 

2 数字表示 8 

2.1　什么是数字 8 

2.2　计数系统 9 

2.2.1　十进制位值计数系统 10 

2.2.2　底数（基数） 11 

2.2.3　二进制计数系统 12 

2.2.4　十六进制计数系统 15 

2.2.5　八进制计数系统 17 

2.3　数字/字符串转换 18 

2.4　内部数字表示形式 20 

2.4.1　位 20 

2.4.2　位串 21 

2.5　有符号和无符号数 24 

2.6　二进制数的属性 26 

2.7　符号扩展、零扩展和收缩 27 

2.8　饱和操作 31 

2.9　二进制编码的十进制表示 32 

2.10　定点表示形式 33 

2.11　比例数字格式 35 

2.12　有理数表示形式 37 

2.13　更多信息 38 

3 二进制算术运算和位运算 39 

3.1　二进制和十六进制数字的算术运算 39 

3.1.1　二进制加法 40 

3.1.2　二进制减法 41 

3.1.3　二进制乘法 42 

3.1.4　二进制除法 43 

3.2　位的逻辑运算 45 

3.3　二进制数值和位串的逻辑运算 47 

3.4　有用的位运算 48 

3.4.1　使用AND运算判断位串中的一位 49 

3.4.2　使用AND运算判断多个位为零或非零 49 

3.4.3　比较二进制字符串中的多个位 50 

3.4.4　使用AND运算创建模n计数器 51 

3.5　移位和旋转 52 

3.6　位字段和打包数据 55 

3.7　数据的打包和解包 60 

3.8　更多信息 65 

4 浮点表示形式 66 

4.1　浮点运算简介 66 

4.2　IEEE 浮点格式 72 

4.2.1　单精度浮点格式 72 

4.2.2　双精度浮点格式 74 

4.2.3　扩展精度浮点格式 75 

4.2.4　四精度浮点格式 76 

4.3　规约形式与非规约形式 76 

4.4　舍入 77 

4.5　特殊的浮点值 79 

4.6　浮点数异常 80 

4.7　浮点运算 81 

4.7.1　浮点表示形式 82 

4.7.2　浮点数的加减法 82 

4.7.3　浮点数的乘除法 93 

4.8 更多信息 102 

5 字符表示形式 103 

5.1　字符数据 103 

5.1.1　ASCII字符集 104 

5.1.2　EBCDIC字符集 107 

5.1.3　双字节字符集 108 

5.1.4　Unicode字符集 109 

5.1.5　Unicode码位 110 

5.1.6　Unicode编码平面 111 

5.1.7　代用码位 111 

5.1.8　字形、字符和字素簇 112 

5.1.9　Unicode规范和规范等价性 115 

5.1.10　Unicode编码 116 

5.1.11　Unicode组合字符 118 

5.2　字符串 120 

5.2.1　字符串格式 120 

5.2.2　静态字符串、伪动态字符串和动态字符串 127 

5.2.3　字符串的引用计数 129 

5.2.4　Delphi字符串 130 

5.2.5　自定义字符串格式 130 

5.3　字符集数据类型 130 

5.3.1　字符集的幂集表示形式 131 

5.3.2　字符集的列表表示形式 132 

5.4　设计自定义字符集 133 

5.4.1　设计高效的字符集 134 

5.4.2　数字字符的编码分组 135 

5.4.3　字母字符分组 135 

5.4.4　比较字母字符 138 

5.4.5　其他字符分组 140 

5.5　更多信息 143 

6 内存结构和访问 144 

6.1　基本系统组件 144 

6.1.1　系统总线 145 

6.2　内存的物理结构 148 

6.2.1　8位数据总线 151 

6.2.2　16位数据总线 152 

6.2.3　32位数据总线 155 

6.2.4　64位数据总线 156 

6.2.5　非80x86处理器对小单位内存的访问 156 

6.3　大端序与小端序结构 157 

6.4　系统时钟 163 

6.4.1　内存访问和系统时钟 165 

6.4.2　等待状态 166 

6.4.3　缓存 168 

6.5　CPU的内存访问模式 172 

6.5.1　直接内存寻址模式 172 

6.5.2　间接寻址模式 173 

6.5.3　变址寻址模式 174 

6.5.4　比例变址寻址模式 175 

6.6　更多信息 175 

7 复合数据类型与内存对象 176 

7.1　指针类型 176 

7.1.1　指针的实现 178 

7.1.2　指针与动态内存分配 179 

7.1.3　指针操作与指针运算 179 

7.2　数组 184 

7.2.1　数组声明 185 

7.2.2　内存中的数组表示形式 188 

7.2.3　访问数组元素 190 

7.2.4　多维数组 190 

7.3　记录/结构体 200 

7.3.1　Pascal/Delphi记录 201 

7.3.2　C/C  记录 202 

7.3.3　HLA记录 203 

7.3.4　Swift记录（元组） 203 

7.3.5　记录的内存存储 204 

7.4　判别联合 207 

7.4.1　C/C  联合 208 

7.4.2　Pascal/Delphi联合 208 

7.4.3　Swift联合 209 

7.4.4　HLA联合 211 

7.4.5　联合的内存存储 211 

7.4.6　联合的其他用途 213 

7.5　类 214 

7.5.1　继承 216 

7.5.2　类构造函数 221 

7.5.3　多态 224 

7.5.4　抽象方法和抽象基类 225 

7.6　C  类 229 

7.6.1　C  中的抽象成员函数和类 230 

7.6.2　C  的多重继承 231 

7.7　Java类 233 

7.8　Swift类 234 

7.9　协议与接口 235 

7.10　泛型和模板 239 

7.11　更多信息 241 

8 布尔逻辑与数字设计 242 

8.1　布尔代数 243 

8.1.1　布尔运算符 243 

8.1.2　布尔假设 243 

8.1.3　布尔运算符优先级 246 

8.2　布尔函数与真值表 246 

8.3　函数编号 248 

8.4　布尔表达式的代数运算 250 

8.5　规范形式 250 

8.5.1　极小项和规范形式与真值表 252 

8.5.2　使用代数方法得到极小项和规范形式 254 

8.5.3　极大项积规范形式 255 

8.6　布尔函数简化 256 

8.7　这和计算机有什么关系 264 

8.7.1　电路与布尔函数 265 

8.7.2　组合电路 267 

8.7.3　时序与时钟逻辑 274 

8.8　更多信息 278 

9 CPU 体系结构 280 

9.1　CPU设计基础 280 

9.2　指令的解码与执行：随机逻辑与微码 283 

9.3　指令执行详解 284 

9.3.1　mov指令 285 

9.3.2　add指令 286 

9.3.3　jnz指令 288 

9.3.4　loop指令 289 

9.4　RISC还是CISC：通过执行更多更快的指令来提高性能 290 

9.5　提高处理速度的关键：并行 291 

9.5.1　功能单元 294 

9.5.2　预取队列 296 

9.5.3　影响预取队列性能的情况 299 

9.5.4　同时执行多条指令的流水线 299 

9.5.5　指令缓存：提供多条内存访问通路 304 

9.5.6　流水线冒险 306 

9.5.7　超标量运算：并行执行指令 308 

9.5.8　乱序执行 310 

9.5.9　寄存器重命名 310 

9.5.10　甚长指令字体系结构 312 

9.5.11　并行处理 312 

9.5.12　多处理 313 

9.6　更多信息 315 

10 指令集体系结构 316 

10.1　指令集设计的重要性 317 

10.2　指令设计的基本目标 318 

10.2.1　操作码的长度选择 320 

10.2.2　规划未来 322 

10.2.3　选择指令 322 

10.2.4　分配指令操作码 323 

10.3　假想处理器Y86 324 

10.3.1　Y86的限制 324 

10.3.2　Y86指令 325 

10.3.3　Y86的寻址模式 327 

10.3.4　Y86指令编码 327 

10.3.5　Y86指令编码示例 330 

10.3.6　扩展Y86指令集 335 

10.4　80x86 指令编码 336 

10.4.1　指令操作码的编码 339 

10.4.2　add指令编码的例子 346 

10.4.3　x86的立即（常量）操作数编码 351 

10.4.4　8位、16位和32位操作数的编码 352 

10.4.5　64位操作数编码 353 

10.4.6　指令的替代编码 353 

10.5　指令集设计对程序员的意义 354 

10.6　更多信息 354 

11 内存体系结构与组织 355 

11.1　内存层次结构 355 

11.2　内存层次结构的工作原理 359 

11.3　内存子系统的性能差距 360 

11.4　缓存体系结构 362 

11.4.1　直接映射缓存 364 

11.4.2　全相联缓存 365 

11.4.3　n路组相联缓存 365 

11.4.4　缓存行置换策略 367 

11.4.5　缓存写入策略 368 

11.4.6　缓存使用与软件 369 

11.5　NUMA与外设 370 

11.6　虚拟内存、内存保护与分页 370 

11.7　编写理解内存层次结构的软件 375 

11.8　运行时的内存结构 376 

11.8.1　静态对象与动态对象，绑定与生命期 378 

11.8.2　代码段、只读数据段与常量段 379 

11.8.3　静态变量段 380 

11.8.4　存储变量段 380 

11.8.5　栈 381 

11.8.6　堆与动态内存分配 381 

11.9　更多信息 388 

12 输入与输出 389 

12.1　连接CPU与外界 389 

12.2　端口和系统连接的其他方式 393 

12.3　输入/输出机制 394 

12.3.1　内存映射输入/输出 395 

12.3.2　I/O映射输入/输出 396 

12.3.3　直接内存访问 396 

12.4　输入/输出速度等级 397 

12.5　系统总线与数据传输速率 398 

12.5.1　PCI总线的性能 400 

12.5.2　ISA总线的性能 401 

12.5.3　AGP总线 401 

12.6　缓冲 402 

12.7　握手 403 

12.8　I/O端口超时 404 

12.9　中断与轮询式I/O 405 

12.10　保护模式操作与设备驱动程序 406 

12.10.1　设备驱动模型 407 

12.10.2　与设备驱动程序通信 408 

12.11　更多信息 409 

13 计算机外设总线 410 

13.1　小型计算机系统接口 410 

13.1.1　限制 411 

13.1.2　改进 412 

13.1.3　SCSI协议 413 

13.1.4　SCSI的优点 415 

13.2　IDE/ATA接口 416 

13.2.1　SATA接口 417 

13.2.2　光纤通道 418 

13.3　通用串行总线 418 

13.3.1　USB设计 418 

13.3.2　USB性能 420 

13.3.3　USB传输的类型 421 

13.3.4　USB-C 423 

13.3.5　USB设备驱动程序 424 

13.4　更多信息 425 

14 大容量存储设备与文件系统 426 

14.1　磁盘驱动器 426 

14.1.1　软盘驱动器 427 

14.1.2　硬盘驱动器 427 

14.1.3　RAID系统 433 

14.1.4　光驱 435 

14.1.5　CD、DVD与蓝光驱动器 436 

14.2　磁带驱动器 438 

14.3　闪存 439 

14.4　RAM盘 441 

14.