編程卓越之道（深入理解計算機）

1  編寫卓越代碼須知
1.1  編程卓越之道系列    1
1.2  本卷內容    3
1.3  本卷所做的假設    5
1.4  卓越代碼的各項特征    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  計數(shù)系統(tǒng)（Numbering System）    11
2.2.1  十進制位值計數(shù)系統(tǒng)    11
2.2.2  進制（基數(shù)）    12
2.2.3  二進制計數(shù)系統(tǒng)    13
2.2.4  十六進制計數(shù)系統(tǒng)    15
2.2.5  八進制（基數(shù)為8）計數(shù)系統(tǒng)    18
2.3  數(shù)/字符串轉換    19
2.4  數(shù)的內部表示    21
2.4.1  位（bits）    21
2.4.2  位串    22
2.5  有符號數(shù)與無符號數(shù)    24
2.6  二進制數(shù)一些有用的特性    25
2.7  符號擴展，零擴展，以及縮減    27
2.8  飽和操作（saturation）    30
2.9  二進制編碼的十進制（BCD）表示法    31
2.10  定點表示法    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  二進制算術與位運算
3.1  二進制數(shù)與十六進制數(shù)的算術運算    39
3.1.1  二進制加法    40
3.1.2  二進制減法    41
3.1.3  二進制乘法    42
3.1.4  二進制除法    43

3.2  位邏輯運算    46
3.3  二進制數(shù)和位串（bit string）的邏輯運算    47
3.4  有用的位運算    48
3.4.1  使用與運算檢測位串的各個位    48
3.4.2  使用與運算來檢測一組位是零/非零    49
3.4.3  比較一個位串中的一組位    49
3.4.4  使用邏輯與創(chuàng)建模-n計數(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  浮點表示法
4.1  浮點運算簡介    66
4.2  IEEE浮點數(shù)格式    71
4.2.1  單精度浮點格式    72
4.2.2  雙精度浮點格式    74
4.2.3  擴展精度浮點格式    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  特殊的浮點數(shù)    78
4.6  浮點異常    79
4.7  浮點運算    80
4.7.1  浮點表示    80
4.7.2  浮點加法與減法    81
4.7.3  浮點乘法與除法    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)，偽動態(tài)，以及動態(tài)字符串    116
5.2.3  字符串引用計數(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  設計你自己的字符集    121
5.4.1  設計一種高效的字符集    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)時鐘    149
6.4.1  內存訪問與系統(tǒng)時鐘    151
6.4.2  等待狀態(tài)    152
6.4.3  高速緩存內存    153
6.5  CPU內存訪問    157
6.5.1  直接內存尋址模式    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  復合數(shù)據(jù)類型與內存對象
7.1  指針類型    162
7.1.1  指針的實現(xiàn)    163
7.1.2  指針與動態(tài)內存分配    164
7.1.3  指針操作與指針運算    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/結構    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  記錄的內存存儲    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)合的內存存儲    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)字設計
8.1  布爾代數(shù)    192
8.1.1  布爾運算符    192
8.1.2  布爾代數(shù)的公理    192
8.1.3  布爾運算符優(yōu)先級    194
8.2  布爾函數(shù)與真值表    194
8.3  函數(shù)號    197
8.4  布爾表達式的代數(shù)運算    198
8.5  標準型    199
8.5.1  最小項之和標準型與真值表    200
8.5.2  使用代數(shù)方法得到最小項之和標準型    202
8.5.3  最大項之積標準型    203
8.6  布爾函數(shù)化簡    204
8.7  但是，這些和計算機又有什么關系呢？    212
8.7.1  電子線路與布爾函數(shù)的對應    213
8.7.2  組合電路    214
8.7.3  時序與鐘控邏輯（Sequential and Clocked Logic）    220
8.8  獲取更多信息    224
9  CPU體系結構
9.1  CPU設計基礎    225
9.2  指令解碼與執(zhí)行：隨機邏輯與微碼    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——提高處理速度的關鍵    235
9.4.1  預取隊列    238
9.4.2  妨礙預取隊列性能的情況    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——提供訪問內存的多條通路    247
9.4.5  流水線相關（pipeline hazards）    249
9.4.6  超標量運算——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  甚長指令字（VLIW）體系結構    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  指令集體系結構
10.1  指令集設計的重要性    260
10.2指令設計基本目標    261
10.2.1  選擇指令長度    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  指令集設計對程序員的意義    293
10.6  獲取更多信息    293
11  內存體系結構與組織
11.1  內存層次結構    295
11.2  內存層次結構是如何工作的    298
11.3  內存子系統(tǒng)的相對性能    300
11.4  高速緩存體系結構    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)到內存中    307
11.4.7  高速緩存使用與軟件    308
11.5  虛存，保護，以及頁面調度    309
11.6  顛簸    312
11.7  NUMA與外圍設備    313
11.8  編寫理解內存層次結構的軟件    314
11.9  運行時內存組織    316
11.9.1  靜態(tài)與動態(tài)對象，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（BSS）段    319
11.9.5  棧段    320
11.9.6  堆段與動態(tài)內存分配    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機制    334
12.3.1  內存映射輸入輸出    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  直接內存訪問（DMA）    336
12.4  輸入輸出速度等級    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    343
12.9  中斷與輪詢方式I/O    344
12.10  保護模式操作與設備驅動程序    345
12.10.1  設備驅動程序（Device Drivers）    346
12.10.2  與設備驅動程序以及“文件”通信    347
12.11  深入研究各種PC外設    347
12.12  鍵盤    348
12.13  標準PC并口    349
12.14  串口    351
12.15  磁盤驅動器    352
12.15.1  軟盤驅動器    352
12.15.2  硬盤驅動器    352
12.15.3  RAID系統(tǒng)    358
12.15.4  Zip與其他光讀軟盤驅動器    359
12.15.5  光驅（optical drive）    359
12.15.6  CD-ROM，CD-R，CD-R/W，DVD，DVD-R，
       DVD-RAM與DVD-R/W驅動器    360
12.16  磁帶驅動器    362
12.17  閃存    363
12.18  RAM盤與半導體盤    365
12.19  SCSI設備與控制器    367
12.20  IDE/ATA接口    372
12.21  大容量存儲設備上的文件系統(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設備上的數(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  內存映射文件    389
12.23  通用串行總線（USB）    390
12.23.1  USB的設計    390
12.23.2  USB的性能    392
12.23.3 USB傳輸?shù)念愋?nbsp;   393
12.23.4  USB設備驅動程序    395
12.24  鼠標，觸控板與其他指點設備    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  編程處理音頻設備    403
12.27  獲取更多信息    403
運用底層語言思想
編寫高級語言代碼
A  ASCII字符集