計算機體系結(jié)構(gòu)基礎（第3版）

目　　錄
叢書序言
推薦序
第3版自序
第2版自序
前言
第一部分　引言
第1章　引言2
　1.1　計算機體系結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容2
　　　1.1.1　一以貫之2
　　　1.1.2　什么是計算機5
　　　1.1.3　計算機的基本組成6
　1.2　衡量計算機的指標9
　　　1.2.1　計算機的性能9
　　　1.2.2　計算機的價格11
　　　1.2.3　計算機的功耗12
　1.3　計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展13
　　　1.3.1　摩爾定律和工藝的發(fā)展15
　　　1.3.2　計算機應用和體系結(jié)構(gòu)19
　　　1.3.3　計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展20
　1.4　體系結(jié)構(gòu)設計的基本原則22
　　　1.4.1　平衡性22
　　　1.4.2　局部性24
　　　1.4.3　并行性24
　　　1.4.4　虛擬化25
　1.5　本章小結(jié)26
　習題26
第二部分　指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
第2章　指令系統(tǒng)30
　2.1　指令系統(tǒng)簡介30
　2.2　指令系統(tǒng)設計原則30
　2.3　指令系統(tǒng)發(fā)展歷程32
　　　2.3.1　指令內(nèi)容的演變32
　　　2.3.2　存儲管理的演變34
　　　2.3.3　運行級別的演變36
　2.4　指令系統(tǒng)組成37
　　　2.4.1　地址空間37
　　　2.4.2　操作數(shù)39
　　　2.4.3　指令操作和編碼41
　2.5　RISC指令集比較43
　　　2.5.1　指令格式比較43
　　　2.5.2　尋址方式比較44
　　　2.5.3　公共指令功能44
　　　2.5.4　不同指令系統(tǒng)的特色46
　2.6　C語言的機器表示47
　　　2.6.1　過程調(diào)用48
　　　2.6.2　流程控制語句49
　2.7　本章小結(jié)52
　習題52
第3章　特權指令系統(tǒng)53
　3.1　特權指令系統(tǒng)簡介53
　3.2　異常與中斷56
　　　3.2.1　異常分類56
　　　3.2.2　異常處理58
　　　3.2.3　中斷60
　3.3　存儲管理62
　　　3.3.1　存儲管理的原理63
　　　3.3.2　TLB的結(jié)構(gòu)和使用64
　　　3.3.3　TLB地址翻譯相關異常的處理70
　3.4　本章小結(jié)73
　習題74
第4章　軟硬件協(xié)同75
　4.1　應用程序二進制接口75
　　　4.1.1　寄存器約定76
　　　4.1.2　函數(shù)調(diào)用約定78
　　　4.1.3　進程虛擬地址空間82
　　　4.1.4　棧幀布局84
　4.2　六種常見的上下文切換場景87
　　　4.2.1　函數(shù)調(diào)用87
　　　4.2.2　異常和中斷88
　　　4.2.3　系統(tǒng)調(diào)用89
　　　4.2.4　進程91
　　　4.2.5　線程92
　　　4.2.6　虛擬機93
　　　4.2.7　六種上下文切換場景的對比94
　4.3　同步機制94
　　　4.3.1　基于互斥的同步機制95
　　　4.3.2　非阻塞的同步機制96
　4.4　本章小結(jié)97
　習題97
第三部分　計算機硬件結(jié)構(gòu)
第5章　計算機組成原理和結(jié)構(gòu)100
　5.1　馮·諾依曼結(jié)構(gòu)100
　5.2　計算機的組成部件101
　　　5.2.1　運算器101
　　　5.2.2　控制器103
　　　5.2.3　存儲器105
　　　5.2.4　輸入/輸出設備110
　5.3　計算機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)發(fā)展113
　　　5.3.1　CPU-GPU-北橋-南橋四片結(jié)構(gòu)113
　　　5.3.2　CPU-北橋-南橋三片結(jié)構(gòu)114
　　　5.3.3　CPU-弱北橋-南橋三片結(jié)構(gòu)114
　　　5.3.4　CPU-南橋兩片結(jié)構(gòu)115
　　　5.3.5　SoC單片結(jié)構(gòu)116
　5.4　處理器和IO設備間的通信116
　　　5.4.1　IO寄存器尋址117
　　　5.4.2　處理器和IO設備之間的同步117
　　　5.4.3　存儲器和IO設備之間的數(shù)據(jù)傳送119
　　　5.4.4　龍芯3A3000+7A1000橋片系統(tǒng)中的CPU、GPU、DC通信120
　5.5　本章小結(jié)122
　習題122
第6章　計算機總線接口技術124
　6.1　總線概述125
　6.2　總線分類125
　6.3　片上總線126
　6.4　內(nèi)存總線132
　6.5　系統(tǒng)總線139
　　　6.5.1　HyperTransport總線140
　　　6.5.2　HT包格式143
　6.6　設備總線145
　　　6.6.1　PCIE總線145
　　　6.6.2　PCIE包格式146
　6.7　本章小結(jié)147
　習題148
第7章　計算機系統(tǒng)啟動過程分析149
　7.1　處理器核初始化149
　　　7.1.1　處理器復位150
　　　7.1.2　調(diào)試接口初始化152
　　　7.1.3　TLB初始化156
　　　7.1.4　Cache初始化157
　7.2　總線接口初始化160
　　　7.2.1　內(nèi)存初始化160
　　　7.2.2　IO總線初始化161
　7.3　設備的探測及驅(qū)動加載162
　7.4　多核啟動過程167
　　　7.4.1　初始化時的多核協(xié)同167
　　　7.4.2　操作系統(tǒng)啟動時的多核喚醒168
　　　7.4.3　核間同步與通信169
　7.5　本章小結(jié)170
　習題170
第四部分　CPU微結(jié)構(gòu)
第8章　運算器設計172
　8.1　二進制與邏輯電路172
　　　8.1.1　計算機中數(shù)的表示172
　　　8.1.2　MOS晶體管工作原理178
　　　8.1.3　CMOS邏輯電路180
　8.2　簡單運算器設計188
　　　8.2.1　定點補碼加法器188
　　　8.2.2　減法運算實現(xiàn)193
　　　8.2.3　比較運算實現(xiàn)194
　　　8.2.4　移位器194
　8.3　定點補碼乘法器195
　　　8.3.1　補碼乘法器196
　　　8.3.2　Booth乘法器198
　　　8.3.3　華萊士樹202
　8.4　本章小結(jié)206
　習題206
第9章　指令流水線208
　9.1　單周期處理器208
　9.2　流水線處理器210
　9.3　指令相關和流水線沖突213
　　　9.3.1　數(shù)據(jù)相關引發(fā)的沖突及解決辦法214
　　　9.3.2　控制相關引發(fā)的沖突及解決辦法216
　　　9.3.3　結(jié)構(gòu)相關引發(fā)的沖突及解決辦法219
　9.4　流水線與異常處理219
　9.5　提高流水線效率的技術220
　　　9.5.1　多發(fā)射數(shù)據(jù)通路220
　　　9.5.2　動態(tài)調(diào)度221
　　　9.5.3　轉(zhuǎn)移預測225
　　　9.5.4　高速緩存229
　9.6　本章小結(jié)231
　習題232
第五部分　并行處理結(jié)構(gòu)
第10章　并行編程基礎236
　10.1　程序的并行行為236
　　　　10.1.1　指令級并行性236
　　　　10.1.2　數(shù)據(jù)級并行性237
　　　　10.1.3　任務級并行性237
　10.2　并行編程模型238
　　　　10.2.1　單任務數(shù)據(jù)并行模型…238
　　　　10.2.2　多任務共享存儲編程模型238
　　　　10.2.3　多任務消息傳遞編程模型239
　　　　10.2.4　共享存儲與消息傳遞編程模型的編程復雜度239
　10.3　典型并行編程環(huán)境242
　　　　10.3.1　數(shù)據(jù)并行SIMD編程242
　　　　10.3.2　POSIX編程標準244
　　　　10.3.3　OpenMP標準247
　　　　10.3.4　MPI消息傳遞編程接口253
　10.4　本章小結(jié)259
　習題259
第11章　多核處理結(jié)構(gòu)260
　11.1　多核處理器的發(fā)展演化260
　11.2　多核處理器的訪存結(jié)構(gòu)263
　　　　11.2.1　通用多核處理器的片上Cache結(jié)構(gòu)263
　　　　11.2.2　存儲一致性模型265
　　　　11.2.3　Cache一致性協(xié)議267
　11.3　多核處理器的互連結(jié)構(gòu)272
　11.4　多核處理器的同步機制278
　11.5　典型多核處理器282
　　　　11.5.1　龍芯3A5000處理器282
　　　　11.5.2　Intel SandyBridge架構(gòu)…284
　　　　11.5.3　IBM Cell處理器286
　　　　11.5.4　NVIDIA GPU287
　　　　11.5.5　Tile64處理器289
　11.6　本章小結(jié)289
　習題291
第六部分　系統(tǒng)評價與性能分析
第12章　計算機系統(tǒng)評價和性能分析294
　12.1　計算機系統(tǒng)性能評價指標294
　　　　12.1.1　計算機系統(tǒng)常用性能評價指標295
　　　　12.1.2　并行系統(tǒng)的性能評價指標299
　12.2　測試程序集300
　　　　12.2.1　微基準測試程序301
　　　　12.2.2　SPEC CPU基準測試程序310
　　　　12.2.3　并行系統(tǒng)基準測試程序316
　　　　12.2.4　其他常見的基準測試程序集319
　12.3　性能分析方法320
　　　　12.3.1　分析建模的方法322
　　　　12.3.2　模擬建模的方法和模擬器322
　　　　12.3.3　性能測量的方法325
　12.4　性能測試和分析實例334
　　　　12.4.1　SPEC CPU基準測試程序的分值對比335
　　　　12.4.2　微結(jié)構(gòu)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)338
　　　　12.4.3　基礎性能參數(shù)344
　12.5　本章小結(jié)348
　習題348
總結(jié)：什么是計算機體系結(jié)構(gòu)350
參考文獻359