导语

  

    计算机，已经无处不在，你走到任何位置，都会有成千上万各种类型的“计算机”围绕着你，小到各种移动设备，大到飞机火车，都是由各种计算机控制并运转。你可曾想过这些计算机是怎么运作的？一个字节是怎么产生又是怎么消亡的？网络是如何连接一切的？人工智能到底是什么？……
    冬瓜哥其人，喜钻研，擅用与科班教材截然不同的方式把计算机原理细细分解，娓娓道来。这本书如此通俗，以至于假设当代文明毁灭之后，下一个文明从地壳中找到这本书，按照书中所讲即可迅速建立起计算机体系，极大推动下一个文明的进程……

内容提要

  

    现代计算机系统的软硬件架构十分复杂，是所有IT相关技术的根源。本书尝试从原始的零认知状态开始，逐步从最基础的数字电路一直介绍到计算机操作系统以及人工智能。本书用通俗的语言、恰到好处的疑问、符合原生态认知思维的切入点，来帮助读者洞悉整个计算机底层世界。本书在写作上遵循“先介绍原因，后思考，然后介绍解决方案，最终提炼抽象成概念”的原则。全书脉络清晰，带领读者重走作者的认知之路。本书集科普、专业为一体，用通俗详尽的语言、图表、模型来描述专业知识。
    本书内容涵盖以下学科领域：计算机体系结构、计算机组成原理、计算机操作系统原理、计算机图形学、高性能计算机集群、计算加速、计算机存储系统、计算机网络、机器学习等。
    本书共分为12章。第1章介绍数字计算机的设计思路，制作一个按键计算器，在这个过程中逐步理解数字计算机底层原理。第2章在第1章的基础上，改造按键计算器，实现能够按照编好的程序自动计算，并介绍对应的处理器内部架构概念。第3章介绍电子计算机的发展史，包括芯片制造等内容。第4章介绍流水线相关知识，包括流水线、分支预测、乱序执行、超标量等内容。第5章介绍计算机程序架构，理解单个、多个程序如何在处理器上编译、链接并最终运行的过程。第6章介绍缓存以及多处理器并行执行系统的体系结构，包括互联架构、缓存一致性架构的原理和实现。第7章介绍计算机I/O基本原理，包括PCIE、USB、SAS三大I/O体系。第8章介绍计算机是如何处理声音和图像的，包括3D渲染和图形加速原理架构和实现。第9章介绍大规模并行计算、超级计算机原理和架构，以及可编程逻辑器件（如FPGA等）的原理和架构。第10章介绍现代计算机操作系统基本原理和架构，包括内存管理、任务调度、中断管理、时间管理等架构原理。第11章介绍现代计算机形态和生态体系，包括计算、网络、存储方面的实际计算机产品和生态。第12章介绍机器学习和人工智能底层原理和架构实现。
    本书适合所有IT行业从业者阅读，包括计算机（PC/服务器/手机/嵌入式）软硬件及云计算/大数据/人工智能等领域的研发、架构师、项目经理、产品经理、销售、售前。本书也同样适合广大高中生科普之用，另外计算机相关专业本科生、硕士生、博士生同样可以从本书中获取与课程教材截然不同的丰富营养。

    冬瓜哥（张冬），现任某半导体公司系统架构师，著有《大话存储》系列图书。存储领域技术专家和布道者。

开篇  苦想计算机——以使用者的名义
第1章  电控开关——计算机世界的基石
  1.1  十余年的迷惑
  1.2  从1+1=2说起
    1.2.1  用电路实现1+1=2
    1.2.2  或门
    1.2.3  与门
    1.2.4  非门和与非门
    1.2.5  异或门
    1.2.6  1位加法器
    1.2.7  全手动1位加法机
    1.2.8  实现多位加法器
    1.2.9  电路的时延
    1.2.10  新世界的新规律
    1.2.11  先行／并行进位
    1.2.12  电路化简和变换
  1.3  我们需要真正可用的计算器
    1.3.1  产生记忆
    1.3.2  解决按键问题
    1.3.3  数学的懵懂
    1.3.4  第一次理解数学
    1.3.5  第一次理解语义
    1.3.6  七段显示数码管
    1.3.7  野路子乘法器
    1.3.8  科班乘法器
    1.3.9  数据交换器Crossbar
    1.3.10  多媒体声光按键转码器
    1.3.11  第一次驾驭时间
  1.4  信息与信号
    1.4.1  录制和回放
    1.4.2  振动和信号
    1.4.3  低通滤波
    1.4.4  高通滤波
    1.4.5  带通滤波
    1.4.6  带阻滤波
    1.4.7  傅里叶变换
    1.4.8  波动与电磁波
    1.4.9  载波、调制与频分复用
  1.5  完整的计算器
    1.5.1  用时序控制增强用户体验
    1.5.2  用Mux来实现Crossbar
    1.5.3  奇妙的FIFO队列
    1.5.4  同步／异步FIFO
    1.5.5  全局共享FIFO
    1.5.6  多路仲裁
    1.5.7  交换矩阵
    1.5.8  时序问题的产生与触发器
    1.5.9  擒纵机构与触发器
    1.5.10  擒纵机构与晶振
    1.5.11  Serdes与MUX／DEMUX
    1.5.12  计算离不开数据传递
    1.5.13  几个专业概念的由来
      1.5.13.1  输入设备
      1.5.13.2  输出设备
      1.5.13.3  计算单元／运算器
      1.5.13.4  控制单元和传递通路
      1.5.13.5  反馈
      1.5.13.6  运算／计算
      1.5.13.7  数据通路和控制通路
      1.5.13.8  组合逻辑和时序逻辑
      1.5.13.9  寄存器／Latch／触发器／锁存器
      1.5.13.10  存储器
      1.5.13.11  地址／指针
      1.5.13.12  写使能信号
  1.6  多功能计算器
  算术逻辑单元
第2章  解脱人手——程序控制计算机
第3章  开关的进化——从机械到芯片
第4章  电路执行过程的进化——流水线、分支预测、乱序执行与多发射
第5章  程序世界——从机器码到操作系统
第6章  多处理器微体系结构——多核心与缓存
第7章  计算机I／O子系统
第8章  绘声绘色——计算机如何处理声音和图像
第9章  万箭齐发——加速计算与超级计算机
第10章  计算机操作系统——舞台幕后的工作者
第11章  现代计算机系统——形态与生态
第12章  机器学习与人工智能
尾声  狂想计算机——以创造者的名义
后记

前言

  

    各位读者朋友，欢迎阅读本书，开启计算机内部奇妙世界的旅程。本书完全从零开始介绍计算机是如何运
    行的，从基本的电路一直介绍到操作系统内核再到机器学习与人工智能。但是本书并不会像大众科普读物那样
    点到为止，而是要层层剥开计算机体系中的每一层，一直到看透为止，达到从入门到精通的效果。
    本书特点如下。
    1. 绝对从初学者角度出发，看了不迷茫、不撕书、不会骂作者（我也不想被人骂）。
    2. 介绍事物绝对庖丁解牛，轻易不留“坑”，不得已留了则必填。
    3. 带着思考来写作，促发读者思考；问题导向，带着解决问题过程来写。
    4. 事物之间带有前因后果关联，而不是孤立地介绍，整本书从第一页到最后一页有一条清晰的因果脉络。
    5. 全局框架和局部细节兼顾，大而全，深而细，就像一部精美的游戏，宏观场景震撼，局部细节惊艳！
    6. 覆盖面极广，涵盖多个领域关键知识：数字电路、模拟电路、计算机体系结构、计算机组成原理、操作
    系统原理、计算机图形学、高性能计算机集群/超级计算机、信号与系统、存储系统、网络/通信系统、机器学
    习与人工智能等。
    7. 随便点选任何一页的任何一段，都是精彩和拥有丰富细节的内容。
    8. 注重大框架的建立，让读者阅后成竹在胸。
    9. 便于自学，看文字就像是在聆听作者当面讲授。
    10. 图片细节丰富，带有事物运行的流程，其过程是动态的而不是静态的。
    具有高中以上学历者就可以阅读本书。本书可作为家长赠予正值高中阶段孩子的礼物，或许能够让他们不
    再在网游中虚度光阴。本书也可以作为高中、技校、大学、科研院所的教材或教学参考书。当然，本书也非常
    适合于正在或者即将从事IT领域工作的广大工程师、架构师、开发人员、项目管理人员、运维/系统/网络管理
    员、销售/售前/售后人员等阅读。
    在此，冬瓜哥郑重建议读者们从头阅读本书，而最好不要跳跃式阅读，因为本书与传统写作方式不同。本
    书的内容一脉相承，前面内容是后面内容的铺垫，这种符合事物发展规律的脉络式写作方式，就像小说中的剧
    情一样，要从头看才能体会出其中更深刻的含义和精髓。
    比如，在第1章中，冬瓜哥会回答“计算机如何计算1+1=2”这个问题，并带领大家制作一个能够进行基本
    数学运算的示意计算器。在制作过程中，会遇到各种困难和问题，并最终一一解决。在解决的过程中，读者将
    会感受到数字电路的精妙之处，对数字电路的运行产生深刻认知，并最终迫切地要求：为何不制作一个能够按
    照指令自动进行累积计算的计算器呢？于是便开启了CPU之旅，进入第2章。至于后面的剧情如何跌宕起伏、宏
    伟壮观，就等待读者自己去体会吧！
    在本书的写作过程中得到了各路江湖豪杰的帮助，在此鄙人由衷表示感谢。
    首先要感谢PMC-Sierra（后被Microsemi收购，Microsemi又被Microchip收购）公司，进入该公司让我得以
    从更深的层面了解了计算机底层的各种技术。感谢我的导师前PMC-Sierra公司Fellow廖恒博士对鄙人的指导和
    引领。
    其次要感谢前同事汪利文以及深圳市科力锐科技有限公司创始人之一张勇（@VxD），这两位大侠在本书
    写作过程中向鄙人提供了关键的、长时间的、颇具耐心的帮助，在一些深奥问题上，他们忍受了鄙人长期的刨
    根问底，有些问题他们无法现场回答，便亲自考证研究、研读源代码，并最终得出结论。我想，只有具有同样
    钻研精神的人才会这样做。其中年长鄙人7岁的汪兄是老骥伏枥的典范，他逾越了年龄的壁垒在各种前沿技术领
    域长期潜心研究，是不可多得的人才。在表示感谢的同时，也对这两位大侠表示钦佩和崇敬！或许正是因为这
    些前辈们深知学习过程的不易，才会如此耐心的帮助鄙人。
    还要感谢网友@三郎在模拟电子技术方面予以的指导。感谢网友@Perr、@钓客、@Reborn、@抠出式
    linux、@Linux入门等群友的帮助，他们的帮助大大加速了本书第10章的写作进程。
    还要感谢网友@去流浪、@豆包、张一中对鄙人相关知识的点拨。感谢中科院计算所的包云岗老师，以及
    时任阿里云高性能计算负责人、中国计算机学会理事的何万青老师的帮助。感谢@破布、@子濠两位同学在处
    理器体系结构方面的点拨。感谢中存超为的沈杰在数字电路底层方面对鄙人的点拨。感谢刘羽、黄家明两位大
    侠分别在MPI编程、BIOS/ACPI方面对鄙人的点拨。感谢刘震在模拟电子和PCB设计制造方面相关知识的点拨。
    感谢光子算数（北京）有限责任公司的白冰博士在模拟光学计算方面的知识传授。
    还要再次感谢导师廖恒博士在本书即将完成时为我开启了一道新的大门并作为指路人，这直接导致本书第
    12 章在一个半月的时间内的速成，这也了却了我长期的一桩心愿，同时也顺带解决了之前长期困扰我的关于信
    号均衡器底层原理的问题，我那时候根本不知道信号均衡器中的权重其实也是通过训练来得出的，之前一直卡
    在“每个Tap 的权重到底是怎么确定的”这个问题上出不来，也浪费了很多时间去追踪。在本章写作期间，感谢
    蔡卫光、王海彬、雷霆、蒋传遐四位大侠在机器学习的上层框架、加速器架构方面提供的帮助。
    最后，感谢本书编辑也是我的老朋友栾大成以及清华大学出版社参与本书出版的全体工作人员的努力，以
    精湛、迅速、高效的出版技术和流程控制为本书打造了优秀的展现，并最终促其诞生。
    由于冬瓜哥是一个半路出家的门外汉，书中定有不少自以为是、飘飘然、不知所云、混淆、错误、含糊不
    清之处，迫切希望各位读者能够指出这些错误，再版时一并修正。
    本书的部分图片来自于互联网，原始出处不详，如有侵权，请通过下列方式联系作者。本书极个别图片包
    含英文注释，未作完整翻译的图片都是示意图，不看注释即可了解图片意图，保留英文注释是为了给有能力的
    朋友们刨根问底，请读者体谅，如有疑问，请到冬瓜哥公众号交流。
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    此外，冬瓜哥也为广大读者创建了《大话计算机》书友会QQ群：361934810 。大家可以加入本群畅所欲
    言，共同提高。