編程卓越之道（深入理解計(jì)算機(jī)）

1  編寫卓越代碼須知
1.1  編程卓越之道系列    1
1.2  本卷內(nèi)容    3
1.3  本卷所做的假設(shè)    5
1.4  卓越代碼的各項(xiàng)特征    6
1.5  本卷涉及的環(huán)境    7
1.6  獲取更多信息    8
2  數(shù)值表示
2.1  什么是數(shù)    10
2.2  計(jì)數(shù)系統(tǒng)（Numbering System）    11
2.2.1  十進(jìn)制位值計(jì)數(shù)系統(tǒng)    11
2.2.2  進(jìn)制（基數(shù)）    12
2.2.3  二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)    13
2.2.4  十六進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)    15
2.2.5  八進(jìn)制（基數(shù)為8）計(jì)數(shù)系統(tǒng)    18
2.3  數(shù)/字符串轉(zhuǎn)換    19
2.4  數(shù)的內(nèi)部表示    21
2.4.1  位（bits）    21
2.4.2  位串    22
2.5  有符號(hào)數(shù)與無符號(hào)數(shù)    24
2.6  二進(jìn)制數(shù)一些有用的特性    25
2.7  符號(hào)擴(kuò)展，零擴(kuò)展，以及縮減    27
2.8  飽和操作（saturation）    30
2.9  二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制（BCD）表示法    31
2.10  定點(diǎn)表示法    33
2.11  比例數(shù)格式（scaled numeric formats）    35
2.12  有理數(shù)表示法    38
2.13  獲取更多信息    38
3  二進(jìn)制算術(shù)與位運(yùn)算
3.1  二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)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  位邏輯運(yùn)算    46
3.3  二進(jìn)制數(shù)和位串（bit string）的邏輯運(yùn)算    47
3.4  有用的位運(yùn)算    48
3.4.1  使用與運(yùn)算檢測(cè)位串的各個(gè)位    48
3.4.2  使用與運(yùn)算來檢測(cè)一組位是零/非零    49
3.4.3  比較一個(gè)位串中的一組位    49
3.4.4  使用邏輯與創(chuàng)建模-n計(jì)數(shù)器（Modulo-n Counters）    51
3.5  移位（Shift）與循環(huán)移位（Rotate）    52
3.6  位域與打包（packed）數(shù)據(jù)    55
3.7  打包與解包數(shù)據(jù)    60
3.8  獲取更多信息    64
4  浮點(diǎn)表示法
4.1  浮點(diǎn)運(yùn)算簡(jiǎn)介    66
4.2  IEEE浮點(diǎn)數(shù)格式    71
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    74
4.3  規(guī)格化（normalization）與反向規(guī)格化（denormalized）數(shù)    75
4.4  舍入（rounding）    77
4.5  特殊的浮點(diǎn)數(shù)    78
4.6  浮點(diǎn)異常    79
4.7  浮點(diǎn)運(yùn)算    80
4.7.1  浮點(diǎn)表示    80
4.7.2  浮點(diǎn)加法與減法    81
4.7.3  浮點(diǎn)乘法與除法    92
4.8  獲取更多信息    100
5  字符表示法
5.1  字符數(shù)據(jù)    104
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
5.2  字符串    110
5.2.1  字符串格式    111
5.2.2  字符串類型：靜態(tài)，偽動(dòng)態(tài)，以及動(dòng)態(tài)字符串    116
5.2.3  字符串引用計(jì)數(shù)    117
5.2.4  Delphi/Kylix字符串    118
5.2.5  創(chuàng)建你自己的字符串格式    119
5.3  字符集合    119
5.3.1  字符集合的冪集表示法    120
5.3.2  字符集合的列表表示法    120

5.4  設(shè)計(jì)你自己的字符集    121
5.4.1  設(shè)計(jì)一種高效的字符集    122
5.4.2  為數(shù)字分組字符碼    124
5.4.3  分組字母字符    124
5.4.4  比較字母字符    126
5.4.5  其他字符分組    128
5.5  獲取更多信息    131
6  內(nèi)存組織與訪問
6.1  基本的系統(tǒng)組成部分    134
6.1.1  系統(tǒng)總線    134
6.1.2  地址總線    135
6.1.3  控制總線    136
6.2  內(nèi)存物理組織    137
6.2.1 8  位地址總線    139
6.2.2  16位數(shù)據(jù)總線    140
6.2.3  32位數(shù)據(jù)總線    142
6.2.4  64位總線    143
6.2.5  在非80x86處理器上訪問小數(shù)據(jù)單位    143
6.3  大端組織與小端組織    144
6.4  系統(tǒng)時(shí)鐘    149
6.4.1  內(nèi)存訪問與系統(tǒng)時(shí)鐘    151
6.4.2  等待狀態(tài)    152
6.4.3  高速緩存內(nèi)存    153
6.5  CPU內(nèi)存訪問    157
6.5.1  直接內(nèi)存尋址模式    158
6.5.2  間接尋址模式    158
6.5.3  變址尋址模式    159
6.5.4  比例變址尋址模式    160
6.6  獲取更多信息    160
7  復(fù)合數(shù)據(jù)類型與內(nèi)存對(duì)象
7.1  指針類型    162
7.1.1  指針的實(shí)現(xiàn)    163
7.1.2  指針與動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配    164
7.1.3  指針操作與指針運(yùn)算    164
7.2  數(shù)組    169
7.2.1  數(shù)組聲明    169
7.2.2  數(shù)組在內(nèi)存中的表示    172
7.2.3  訪問數(shù)組元素    173
7.2.4  多維數(shù)組    174
7.3  記錄/結(jié)構(gòu)    181
7.3.1  Pascal/Delphi中的記錄    181
7.3.2  C/C++中的記錄    182
7.3.3  HLA中的記錄    182
7.3.4  記錄的內(nèi)存存儲(chǔ)    183
7.4  判別式聯(lián)合    185
7.4.1  C/C++中的聯(lián)合    186
7.4.2  Pascal/Delphi/Kylix中的聯(lián)合    186
7.4.3  HLA中的聯(lián)合    187
7.4.4  聯(lián)合的內(nèi)存存儲(chǔ)    187
7.4.5  聯(lián)合的其他用途    188
7.5  獲取更多信息    189
8  布爾邏輯與數(shù)字設(shè)計(jì)
8.1  布爾代數(shù)    192
8.1.1  布爾運(yùn)算符    192
8.1.2  布爾代數(shù)的公理    192
8.1.3  布爾運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)    194
8.2  布爾函數(shù)與真值表    194
8.3  函數(shù)號(hào)    197
8.4  布爾表達(dá)式的代數(shù)運(yùn)算    198
8.5  標(biāo)準(zhǔn)型    199
8.5.1  最小項(xiàng)之和標(biāo)準(zhǔn)型與真值表    200
8.5.2  使用代數(shù)方法得到最小項(xiàng)之和標(biāo)準(zhǔn)型    202
8.5.3  最大項(xiàng)之積標(biāo)準(zhǔn)型    203
8.6  布爾函數(shù)化簡(jiǎn)    204
8.7  但是，這些和計(jì)算機(jī)又有什么關(guān)系呢？    212
8.7.1  電子線路與布爾函數(shù)的對(duì)應(yīng)    213
8.7.2  組合電路    214
8.7.3  時(shí)序與鐘控邏輯（Sequential and Clocked Logic）    220
8.8  獲取更多信息    224
9  CPU體系結(jié)構(gòu)
9.1  CPU設(shè)計(jì)基礎(chǔ)    225
9.2  指令解碼與執(zhí)行：隨機(jī)邏輯與微碼    228
9.3  指令執(zhí)行詳解    229
9.3.1  mov指令    230
9.3.2  add指令    232
9.3.3  jnz指令    234
9.3.4  loop指令    234
9.4  并行——提高處理速度的關(guān)鍵    235
9.4.1  預(yù)取隊(duì)列    238
9.4.2  妨礙預(yù)取隊(duì)列性能的情況    242
9.4.3  流水線操作——重疊執(zhí)行多條指令    243
9.4.4  指令高速緩存——提供訪問內(nèi)存的多條通路    247
9.4.5  流水線相關(guān)（pipeline hazards）    249
9.4.6  超標(biāo)量運(yùn)算——并行執(zhí)行指令    251
9.4.7  亂序執(zhí)行（Out-of-Order Execution）    253
9.4.8  寄存器重命名    253
9.4.9  甚長(zhǎng)指令字（VLIW）體系結(jié)構(gòu)    255
9.4.10  并行處理    255
9.4.11  多處理    257
9.5  獲取更多信息    258
10  指令集體系結(jié)構(gòu)
10.1  指令集設(shè)計(jì)的重要性    260
10.2指令設(shè)計(jì)基本目標(biāo)    261
10.2.1  選擇指令長(zhǎng)度    263
10.2.2  規(guī)劃未來    265
10.2.3  選擇指令    266
10.2.4  給指令指派操作碼    266
10.3  Y86假想處理器    267
10.3.1  Y86的限制    268
10.3.2  Y86指令    268
10.3.3  Y86的尋址模式    270
10.3.4  Y86指令編碼    271
10.3.5  Y86指令編碼舉例    274
10.3.6  擴(kuò)展Y86指令集    278
10.4  80x86指令編碼    279
10.4.1  編碼指令操作碼    281
10.4.2  add指令編碼的例子    287
10.4.3 編碼立即操作數(shù)    291
10.4.4  8，16，與32位操作數(shù)編碼    292
10.4.5  指令的替代編碼（alternate encoding）    292
10.5  指令集設(shè)計(jì)對(duì)程序員的意義    293
10.6  獲取更多信息    293
11  內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)與組織
11.1  內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)    295
11.2  內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)是如何工作的    298
11.3  內(nèi)存子系統(tǒng)的相對(duì)性能    300
11.4  高速緩存體系結(jié)構(gòu)    302
11.4.1  直接映射高速緩存    303
11.4.2  全相聯(lián)高速緩存    304
11.4.3  n路組相聯(lián)高速緩存    304
11.4.4高速緩存方案與數(shù)據(jù)訪問類型的匹配    305
11.4.5  緩存線替換策略    306
11.4.6  寫數(shù)據(jù)到內(nèi)存中    307
11.4.7  高速緩存使用與軟件    308
11.5  虛存，保護(hù)，以及頁(yè)面調(diào)度    309
11.6  顛簸    312
11.7  NUMA與外圍設(shè)備    313
11.8  編寫理解內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的軟件    314
11.9  運(yùn)行時(shí)內(nèi)存組織    316
11.9.1  靜態(tài)與動(dòng)態(tài)對(duì)象，綁定，以及生命期    317
11.9.2  代碼，只讀，以及常量段    319
11.9.3  靜態(tài)變量段    319
11.9.4  未初始化存儲(chǔ)（BSS）段    319
11.9.5  棧段    320
11.9.6  堆段與動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配    321
11.10  獲取更多信息    328
12  輸入與輸出（I/O）
12.1  將CPU與外界相連    330
12.2  將端口連接到系統(tǒng)的其他方式    333
12.3  I/O機(jī)制    334
12.3.1  內(nèi)存映射輸入輸出    334
12.3.2  輸入輸出與高速緩存    335
12.3.3  I/O映射輸入/輸出    335
12.3.4  直接內(nèi)存訪問（DMA）    336
12.4  輸入輸出速度等級(jí)    337
12.5  系統(tǒng)總線與數(shù)據(jù)傳輸率    338
12.5.1  PCI總線的性能    339
12.5.2  ISA總線的性能    340
12.5.3  AGP總線    341
12.6  緩沖    341
12.7  握手    342
12.8  I/O端口的超時(shí)    343
12.9  中斷與輪詢方式I/O    344
12.10  保護(hù)模式操作與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序    345
12.10.1  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Device Drivers）    346
12.10.2  與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及“文件”通信    347
12.11  深入研究各種PC外設(shè)    347
12.12  鍵盤    348
12.13  標(biāo)準(zhǔn)PC并口    349
12.14  串口    351
12.15  磁盤驅(qū)動(dòng)器    352
12.15.1  軟盤驅(qū)動(dòng)器    352
12.15.2  硬盤驅(qū)動(dòng)器    352
12.15.3  RAID系統(tǒng)    358
12.15.4  Zip與其他光讀軟盤驅(qū)動(dòng)器    359
12.15.5  光驅(qū)（optical drive）    359
12.15.6  CD-ROM，CD-R，CD-R/W，DVD，DVD-R，
       DVD-RAM與DVD-R/W驅(qū)動(dòng)器    360
12.16  磁帶驅(qū)動(dòng)器    362
12.17  閃存    363
12.18  RAM盤與半導(dǎo)體盤    365
12.19  SCSI設(shè)備與控制器    367
12.20  IDE/ATA接口    372
12.21  大容量存儲(chǔ)設(shè)備上的文件系統(tǒng)    374
12.21.1  使用空閑空間位圖（bitmap）管理文件    377
12.21.2  文件分配表    378
12.21.3  塊表文件組織    381
12.22  編寫處理大容量存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)的軟件    385
12.22.1  文件訪問性能    386
12.22.2  同步與異步I/O    387
12.22.3  I/O類型的影響    388
12.22.4  內(nèi)存映射文件    389
12.23  通用串行總線（USB）    390
12.23.1  USB的設(shè)計(jì)    390
12.23.2  USB的性能    392
12.23.3 USB傳輸?shù)念愋?nbsp;   393
12.23.4  USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序    395
12.24  鼠標(biāo)，觸控板與其他指點(diǎn)設(shè)備    396
12.25  操縱桿與游戲控制器    397
12.26  聲卡    399
12.26.1  音頻接口外設(shè)如何產(chǎn)生聲音    400
12.26.2  音頻與MIDI文件格式    401
12.26.3  編程處理音頻設(shè)備    403
12.27  獲取更多信息    403
運(yùn)用底層語(yǔ)言思想
編寫高級(jí)語(yǔ)言代碼
A  ASCII字符集