編程卓越之道：深入理解計(jì)算機(jī)（卷1 第2版）

1 編寫卓越代碼須知 1
1.1　《編程卓越之道》系列 1
1.2　本書涵蓋的主題 2
1.3　閱讀本書的前提 4
1.4　卓越代碼的特征 5
1.5　本書要求的環(huán)境 6
1.6　額外建議 7
1.7　更多信息 7
2 數(shù)字表示 8
2.1　什么是數(shù)字 8
2.2　計(jì)數(shù)系統(tǒng) 9
2.2.1　十進(jìn)制位值計(jì)數(shù)系統(tǒng) 10
2.2.2　底數(shù)（基數(shù)） 11
2.2.3　二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng) 12
2.2.4　十六進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng) 15
2.2.5　八進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng) 17
2.3　數(shù)字/字符串轉(zhuǎn)換 18
2.4　內(nèi)部數(shù)字表示形式 20
2.4.1　位 20
2.4.2　位串 21
2.5　有符號(hào)和無符號(hào)數(shù) 24
2.6　二進(jìn)制數(shù)的屬性 26
2.7　符號(hào)擴(kuò)展、零擴(kuò)展和收縮 27
2.8　飽和操作 31
2.9　二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制表示 32
2.10　定點(diǎn)表示形式 33
2.11　比例數(shù)字格式 35
2.12　有理數(shù)表示形式 37
2.13　更多信息 38
3 二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算和位運(yùn)算 39
3.1　二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)字的算術(shù)運(yùn)算 39
3.1.1　二進(jìn)制加法 40
3.1.2　二進(jìn)制減法 41
3.1.3　二進(jìn)制乘法 42
3.1.4　二進(jìn)制除法 43
3.2　位的邏輯運(yùn)算 45
3.3　二進(jìn)制數(shù)值和位串的邏輯運(yùn)算 47
3.4　有用的位運(yùn)算 48
3.4.1　使用AND運(yùn)算判斷位串中的一位 49
3.4.2　使用AND運(yùn)算判斷多個(gè)位為零或非零 49
3.4.3　比較二進(jìn)制字符串中的多個(gè)位 50
3.4.4　使用AND運(yùn)算創(chuàng)建模n計(jì)數(shù)器 51
3.5　移位和旋轉(zhuǎn) 52
3.6　位字段和打包數(shù)據(jù) 55
3.7　數(shù)據(jù)的打包和解包 60
3.8　更多信息 65
4 浮點(diǎn)表示形式 66
4.1　浮點(diǎn)運(yùn)算簡介 66
4.2　IEEE 浮點(diǎn)格式 72
4.2.1　單精度浮點(diǎn)格式 72
4.2.2　雙精度浮點(diǎn)格式 74
4.2.3　擴(kuò)展精度浮點(diǎn)格式 75
4.2.4　四精度浮點(diǎn)格式 76
4.3　規(guī)約形式與非規(guī)約形式 76
4.4　舍入 77
4.5　特殊的浮點(diǎn)值 79
4.6　浮點(diǎn)數(shù)異常 80
4.7　浮點(diǎn)運(yùn)算 81
4.7.1　浮點(diǎn)表示形式 82
4.7.2　浮點(diǎn)數(shù)的加減法 82
4.7.3　浮點(diǎn)數(shù)的乘除法 93
4.8 更多信息 102
5 字符表示形式 103
5.1　字符數(shù)據(jù) 103
5.1.1　ASCII字符集 104
5.1.2　EBCDIC字符集 107
5.1.3　雙字節(jié)字符集 108
5.1.4　Unicode字符集 109
5.1.5　Unicode碼位 110
5.1.6　Unicode編碼平面 111
5.1.7　代用碼位 111
5.1.8　字形、字符和字素簇 112
5.1.9　Unicode規(guī)范和規(guī)范等價(jià)性 115
5.1.10　Unicode編碼 116
5.1.11　Unicode組合字符 118
5.2　字符串 120
5.2.1　字符串格式 120
5.2.2　靜態(tài)字符串、偽動(dòng)態(tài)字符串和動(dòng)態(tài)字符串 127
5.2.3　字符串的引用計(jì)數(shù) 129
5.2.4　Delphi字符串 130
5.2.5　自定義字符串格式 130
5.3　字符集數(shù)據(jù)類型 130
5.3.1　字符集的冪集表示形式 131
5.3.2　字符集的列表表示形式 132
5.4　設(shè)計(jì)自定義字符集 133
5.4.1　設(shè)計(jì)高效的字符集 134
5.4.2　數(shù)字字符的編碼分組 135
5.4.3　字母字符分組 135
5.4.4　比較字母字符 138
5.4.5　其他字符分組 140
5.5　更多信息 143
6 內(nèi)存結(jié)構(gòu)和訪問 144
6.1　基本系統(tǒng)組件 144
6.1.1　系統(tǒng)總線 145
6.2　內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu) 148
6.2.1　8位數(shù)據(jù)總線 151
6.2.2　16位數(shù)據(jù)總線 152
6.2.3　32位數(shù)據(jù)總線 155
6.2.4　64位數(shù)據(jù)總線 156
6.2.5　非80x86處理器對(duì)小單位內(nèi)存的訪問 156
6.3　大端序與小端序結(jié)構(gòu) 157
6.4　系統(tǒng)時(shí)鐘 163
6.4.1　內(nèi)存訪問和系統(tǒng)時(shí)鐘 165
6.4.2　等待狀態(tài) 166
6.4.3　緩存 168
6.5　CPU的內(nèi)存訪問模式 172
6.5.1　直接內(nèi)存尋址模式 172
6.5.2　間接尋址模式 173
6.5.3　變址尋址模式 174
6.5.4　比例變址尋址模式 175
6.6　更多信息 175
7 復(fù)合數(shù)據(jù)類型與內(nèi)存對(duì)象 176
7.1　指針類型 176
7.1.1　指針的實(shí)現(xiàn) 178
7.1.2　指針與動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配 179
7.1.3　指針操作與指針運(yùn)算 179
7.2　數(shù)組 184
7.2.1　數(shù)組聲明 185
7.2.2　內(nèi)存中的數(shù)組表示形式 188
7.2.3　訪問數(shù)組元素 190
7.2.4　多維數(shù)組 190
7.3　記錄/結(jié)構(gòu)體 200
7.3.1　Pascal/Delphi記錄 201
7.3.2　C/C 記錄 202
7.3.3　HLA記錄 203
7.3.4　Swift記錄（元組） 203
7.3.5　記錄的內(nèi)存存儲(chǔ) 204
7.4　判別聯(lián)合 207
7.4.1　C/C 聯(lián)合 208
7.4.2　Pascal/Delphi聯(lián)合 208
7.4.3　Swift聯(lián)合 209
7.4.4　HLA聯(lián)合 211
7.4.5　聯(lián)合的內(nèi)存存儲(chǔ) 211
7.4.6　聯(lián)合的其他用途 213
7.5　類 214
7.5.1　繼承 216
7.5.2　類構(gòu)造函數(shù) 221
7.5.3　多態(tài) 224
7.5.4　抽象方法和抽象基類 225
7.6　C 類 229
7.6.1　C 中的抽象成員函數(shù)和類 230
7.6.2　C 的多重繼承 231
7.7　Java類 233
7.8　Swift類 234
7.9　協(xié)議與接口 235
7.10　泛型和模板 239
7.11　更多信息 241
8 布爾邏輯與數(shù)字設(shè)計(jì) 242
8.1　布爾代數(shù) 243
8.1.1　布爾運(yùn)算符 243
8.1.2　布爾假設(shè) 243
8.1.3　布爾運(yùn)算符優(yōu)先級(jí) 246
8.2　布爾函數(shù)與真值表 246
8.3　函數(shù)編號(hào) 248
8.4　布爾表達(dá)式的代數(shù)運(yùn)算 250
8.5　規(guī)范形式 250
8.5.1　極小項(xiàng)和規(guī)范形式與真值表 252
8.5.2　使用代數(shù)方法得到極小項(xiàng)和規(guī)范形式 254
8.5.3　極大項(xiàng)積規(guī)范形式 255
8.6　布爾函數(shù)簡化 256
8.7　這和計(jì)算機(jī)有什么關(guān)系 264
8.7.1　電路與布爾函數(shù) 265
8.7.2　組合電路 267
8.7.3　時(shí)序與時(shí)鐘邏輯 274
8.8　更多信息 278
9 CPU 體系結(jié)構(gòu) 280
9.1　CPU設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 280
9.2　指令的解碼與執(zhí)行：隨機(jī)邏輯與微碼 283
9.3　指令執(zhí)行詳解 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還是CISC：通過執(zhí)行更多更快的指令來提高性能 290
9.5　提高處理速度的關(guān)鍵：并行 291
9.5.1　功能單元 294
9.5.2　預(yù)取隊(duì)列 296
9.5.3　影響預(yù)取隊(duì)列性能的情況 299
9.5.4　同時(shí)執(zhí)行多條指令的流水線 299
9.5.5　指令緩存：提供多條內(nèi)存訪問通路 304
9.5.6　流水線冒險(xiǎn) 306
9.5.7　超標(biāo)量運(yùn)算：并行執(zhí)行指令 308
9.5.8　亂序執(zhí)行 310
9.5.9　寄存器重命名 310
9.5.10　甚長指令字體系結(jié)構(gòu) 312
9.5.11　并行處理 312
9.5.12　多處理 313
9.6　更多信息 315
10 指令集體系結(jié)構(gòu) 316
10.1　指令集設(shè)計(jì)的重要性 317
10.2　指令設(shè)計(jì)的基本目標(biāo) 318
10.2.1　操作碼的長度選擇 320
10.2.2　規(guī)劃未來 322
10.2.3　選擇指令 322
10.2.4　分配指令操作碼 323
10.3　假想處理器Y86 324
10.3.1　Y86的限制 324
10.3.2　Y86指令 325
10.3.3　Y86的尋址模式 327
10.3.4　Y86指令編碼 327
10.3.5　Y86指令編碼示例 330
10.3.6　擴(kuò)展Y86指令集 335
10.4　80x86 指令編碼 336
10.4.1　指令操作碼的編碼 339
10.4.2　add指令編碼的例子 346
10.4.3　x86的立即（常量）操作數(shù)編碼 351
10.4.4　8位、16位和32位操作數(shù)的編碼 352
10.4.5　64位操作數(shù)編碼 353
10.4.6　指令的替代編碼 353
10.5　指令集設(shè)計(jì)對(duì)程序員的意義 354
10.6　更多信息 354
11 內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)與組織 355
11.1　內(nèi)存層次結(jié)構(gòu) 355
11.2　內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的工作原理 359
11.3　內(nèi)存子系統(tǒng)的性能差距 360
11.4　緩存體系結(jié)構(gòu) 362
11.4.1　直接映射緩存 364
11.4.2　全相聯(lián)緩存 365
11.4.3　n路組相聯(lián)緩存 365
11.4.4　緩存行置換策略 367
11.4.5　緩存寫入策略 368
11.4.6　緩存使用與軟件 369
11.5　NUMA與外設(shè) 370
11.6　虛擬內(nèi)存、內(nèi)存保護(hù)與分頁 370
11.7　編寫理解內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的軟件 375
11.8　運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存結(jié)構(gòu) 376
11.8.1　靜態(tài)對(duì)象與動(dòng)態(tài)對(duì)象，綁定與生命期 378
11.8.2　代碼段、只讀數(shù)據(jù)段與常量段 379
11.8.3　靜態(tài)變量段 380
11.8.4　存儲(chǔ)變量段 380
11.8.5　棧 381
11.8.6　堆與動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配 381
11.9　更多信息 388
12 輸入與輸出 389
12.1　連接CPU與外界 389
12.2　端口和系統(tǒng)連接的其他方式 393
12.3　輸入/輸出機(jī)制 394
12.3.1　內(nèi)存映射輸入/輸出 395
12.3.2　I/O映射輸入/輸出 396
12.3.3　直接內(nèi)存訪問 396
12.4　輸入/輸出速度等級(jí) 397
12.5　系統(tǒng)總線與數(shù)據(jù)傳輸速率 398
12.5.1　PCI總線的性能 400
12.5.2　ISA總線的性能 401
12.5.3　AGP總線 401
12.6　緩沖 402
12.7　握手 403
12.8　I/O端口超時(shí) 404
12.9　中斷與輪詢式I/O 405
12.10　保護(hù)模式操作與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 406
12.10.1　設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型 407
12.10.2　與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信 408
12.11　更多信息 409
13 計(jì)算機(jī)外設(shè)總線 410
13.1　小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口 410
13.1.1　限制 411
13.1.2　改進(jìn) 412
13.1.3　SCSI協(xié)議 413
13.1.4　SCSI的優(yōu)點(diǎn) 415
13.2　IDE/ATA接口 416
13.2.1　SATA接口 417
13.2.2　光纖通道 418
13.3　通用串行總線 418
13.3.1　USB設(shè)計(jì) 418
13.3.2　USB性能 420
13.3.3　USB傳輸?shù)念愋?421
13.3.4　USB-C 423
13.3.5　USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 424
13.4　更多信息 425
14 大容量存儲(chǔ)設(shè)備與文件系統(tǒng) 426
14.1　磁盤驅(qū)動(dòng)器 426
14.1.1　軟盤驅(qū)動(dòng)器 427
14.1.2　硬盤驅(qū)動(dòng)器 427
14.1.3　RAID系統(tǒng) 433
14.1.4　光驅(qū) 435
14.1.5　CD、DVD與藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器 436
14.2　磁帶驅(qū)動(dòng)器 438
14.3　閃存 439
14.4　RAM盤 441
14.