電腦科學之美

目   錄

第 1 章  概述  1

1.1 電腦：無機生物  1

1.1.1 電腦的發展歷程 3

1.1.2 初識電腦中的生物智慧 5

1.2 馮 諾依曼架構. 8

1.2.1 硬件 8

1.2.2 硬件電路的圖紙 9

1.2.3 軟件  12

1.3 衡量電腦的指標 14

1.3.1 可靠是一切的前提  14

1.3.2 辦事能力. 14

1.3.3 能力範圍. 16

1.4 思考 17

1.4.1 關於電腦的十點疑問  17

1.4.2 從電腦科學中可以獲得的啟示 19

1.5 結語 20

第 2 章  百年激盪 22

2.1 引言 22

2.2 從硅谷談起 22

2.2.1 星火燎原——斯坦福 22

2.2.2 一鯨落，萬物生——仙童 25

2.2.3 現代電腦的“出生證” 26

2.2.4 將星璀璨. 27

2.3 中美科技競爭 29

2.3.1 劍宗與氣宗 30

2.3.2 芯片設計與製造 31

2.3.3 系統軟件. 32

2.3.4 應用軟件和算法 33

2.4 結語 34

2.4.1 書中涉及的術語解釋 34

2.4.2 後續章節框架  36

第 3 章  馴獸師的語言：指令  37

3.1 引言 37

3.2 指令的工具箱 38

3.2.1 RISC-V 指令集 38

3.2.2 高級編程語言與指令的關系  39

3.3 算術運算指令 40

3.3.1 對電腦下達的第一條指令：加法指令  40

3.3.2 寄存器 41

3.4 數據傳輸指令 43

3.5 神奇的 0 和 1 45

3.5.1 進位計數制 45

3.5.2 電腦數字的真實表示：補碼 48

3.6 條件分支指令 49

3.6.1 循環  51

3.6.2 函數  51

3.6.3 棧 52

3.7 其他指令 54

3.8 結語 55

第 4 章  電腦的“腦迴路”  56

4.1 引言 56

4.2 初識腦迴路 56

4.2.1 有機生物的腦迴路  56

4.2.2 電腦“腦迴路”的基本原理 57

4.3 指令的 0/1 表示. 59

4.3.1 常見類型介紹：R 型 59

4.3.2 常見類型介紹：I 型 61

4.3.3 指令格式匯總  61

4.4 集成電路基本元器件  62

4.5 構建數據通路 65

4.5.1 數據通路：處理當前指令  65

4.5.2 數據通路：取下一條指令  68

4.5.3 分支指令的數據通路 69

4.5.4 完整的電路圖  70

4.5.5 控制系統. 72

4.5.6 數據通路與控制器的協作示例 74

4.6 電腦的“心跳” 75

4.6.1 時鐘周期. 75

4.6.2 性能分析. 76

4.6.3 給心跳加速 77

4.7 流水線. 79

4.7.1 流水線的電路實現  81

4.7.2 流水線的代價  83

4.7.3 解決冒險問題的流水線電路設計 86

4.7.4 大腦的應激反應：中斷  90

4.8 人工智能芯片 92

4.8.1 ASIC  93

4.8.2 GPU 和 FPGA 96

4.9 結語 98

4.9.1 信息、物質、能量. 98

4.9.2 房間里的真相  99

第 5 章  電腦的“記憶”  101

5.1 引言：人類的記憶和回憶 101

5.2 電腦的記憶模塊  102

5.2.1 長期記憶：DRAM 103

5.2.2 短期快速記憶：SRAM 107

5.2.3 存儲器之間的地址映射 109

5.2.4 緩存寫操作  114

5.3 永恆記憶的秘密：快閃內存  116

5.4 多級存儲結構：既“大”且“快” 120

5.5 存儲新勢力  122

5.5.1 快閃內存的混合存儲結構  122

5.5.2 新型存儲器  124

5.5.3 存算一體  127

5.6 結語  128

5.6.1 外存與內存的區別 128

5.6.2 3C 模型. 129

第 6 章  人機交互 130

6.1 引言  130

6.2 電腦的經脈  132

6.2.1 基於總線的“經脈”排布. 133

6.2.2 “看得見”且“摸得著”. 136

6.3 電腦的“五官” 136

6.3.1 手機拍照的 I/O 流程. 137

6.3.2 I/O 設備  139

6.3.3 下一代 I/O：谷歌的自我革命  141

6.4 無機生物之間的交流 142

6.4.1 從一條微信語音談起  142

6.4.2 網絡協議分層結構 144

6.4.3 海底光纜與星鏈計劃  146

6.5 人機交互的終極目標：缸中之腦. 148

6.6 結語  150

6.6.1 熵增  150

6.6.2 信息就像食物和水，不可或缺  152

第 7 章  電腦的“靈魂”  153

7.1 引言  153

7.1.1 軟件的物質形態 154

7.1.2 軟件什麽時候開始有“意識”. 155

7.2 現代電腦的“翻譯官”：編譯器  157

7.3 一個特殊的程序：操作系統  158

7.3.1 再談指令地址 158

7.3.2 進程虛擬地址空間 160

7.3.3 頁表  166

7.3.4 左手畫圓，右手畫方  168

7.3.5 操作系統的誕生過程  168

7.3.6 操作系統市場現狀 170

7.4 靈魂是一股有序的能量. 173

7.4.1 電腦是怎麽“活”過來的 173

7.4.2 人類生命循環的起點  174

7.4.3 靈魂的消逝  175

7.4.4 重啟生命  175

7.4.5 靈魂隱藏在微觀世界  176

7.4.6 關於意識的討論 177

7.5 安全：電腦的主權爭奪 178

7.5.1 躲在黑暗裡的人 178

7.5.2 人類是怎樣一步步喪失控制權的 180

7.6 結語  182

第 8 章  量子電腦——凝視宇宙的終極法則  183

8.1 引言  183

8.1.1 量子電腦與經典電腦的關系 184

8.1.2 量子電腦的研究現狀 185

8.2 量子力學基本理論  186

8.2.1 不確定性原理 186

8.2.2 量子疊加  188

8.2.3 量子糾纏  189

8.3 量子電腦原理  190

8.3.1 量子比特  190

8.3.2 量子門  193

8.3.3 量子電路  194

8.4 生存還是毀滅（To be or not to be）  195

8.5 探索宇宙的終極理論 196

第 9 章  總結 198

9.1 本書的知識圖譜  198

9.2 電腦科學中的思想啟示 200

9.2.1 模塊化思想  200

9.2.2 捉住事物的主要矛盾  201

9.2.3 大道至簡  202

9.2.4 合乎中道的平衡 202

9.2.5 圓道周流，循環往復  203

9.3 寫在最後 203

附錄 A 書中涉及的主要人物 204

附錄 B RISC-V 指令集 208

附錄 C 大學電腦課程設置 210

參考文獻 214