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現(xiàn)代計算機組成與體系結構 版權信息
- ISBN：9787111701088
- 條形碼：9787111701088 ; 978-7-111-70108-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
現(xiàn)代計算機組成與體系結構 本書特色
適讀人群 ：本書適用于軟件開發(fā)人員、計算機專業(yè)學生、系統(tǒng)設計師、計算機科學家、逆向工程師，以及所有希望理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)（從微型嵌入式設備到智能手機，再到倉儲規(guī)模的云服務器群作為一名軟件開發(fā)人員、系統(tǒng)設計師或計算機體系結構專業(yè)的學生，當你探索數(shù)字設備體系結構時，是否被其復雜性擊垮？本書將幫助你學習現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的工作原理——從晶體管開關到協(xié)作多處理器服務器。在本書中，你將深入學習處理器的內(nèi)部行為，以設計更高效、可擴展性更好的軟件系統(tǒng)。 本書全面介紹了計算機系統(tǒng)的基礎知識，包括晶體管、邏輯門、時序邏輯和指令操作。你將了解現(xiàn)代處理器體系結構以及包括x86、x64、ARM和RISC-V在內(nèi)的指令集，還會看到如何在低成本的FPGA板上實現(xiàn)RISC-V處理器，以及如何編寫量子計算程序并在實際的量子計算機上運行。讀完本書，你將深入理解現(xiàn)代處理器和計算機體系結構，并了解其未來的發(fā)展方向。 學完本書，你將能夠： ? 掌握晶體管技術和數(shù)字電路原理。 ? 理解計算機處理器的基本功能單元。 ? 理解流水線和超標量執(zhí)行。 ? 學會使用浮點數(shù)據(jù)格式。 ? 理解管理員模式的目的和操作。 ? 在低成本的FPGA板上實現(xiàn)完整的RISC-V處理器。 ? 了解虛擬機實現(xiàn)的相關技術。 ? 編寫量子計算程序并在量子計算機上運行。
現(xiàn)代計算機組成與體系結構 內(nèi)容簡介
本書對現(xiàn)代計算設備進行了介紹，包括其中可能出現(xiàn)的重要技術和子系統(tǒng)，并闡釋了設備與其他系統(tǒng)組件之間的關系。全書分為三部分。**部分介紹計算機體系結構基礎知識，包括計算機體系結構的基本概念、數(shù)字邏輯、處理器要素、計算機系統(tǒng)組件、硬件-軟件接口、專用計算領域。第二部分介紹處理器體系結構及指令集，涉及處理器和存儲器體系結構、性能提升技術、專用處理器擴展、現(xiàn)代處理器體系結構及指令集、RISC-V體系結構及指令集。第三部分介紹計算機體系結構的應用，包括處理器虛擬化、領域專用計算機體系結構、計算機體系結構的未來發(fā)展方向。 本書適用于軟件開發(fā)人員、計算機專業(yè)學生、系統(tǒng)設計師、計算機科學家、逆向工程師，以及所有希望理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)（從微型嵌入式設備到智能手機，再到倉儲規(guī)模的云服務器群等）的體系結構和設計原則的人。
現(xiàn)代計算機組成與體系結構 目錄
前言
**部分 計算機體系結構基礎知識
第1章 計算機體系結構簡介2
1.1 自動化計算設備的演進2
1.1.1 巴貝奇分析機2
1.1.2 ENIAC3
1.1.3 IBM PC4
1.1.4 iPhone6
1.2 摩爾定律7
1.3 計算機體系結構9
1.3.1 二進制數(shù)和十六進制數(shù)9
1.3.2 6502微處理器12
1.3.3 6502指令集13
1.4 總結15
1.5 習題15
第2章 數(shù)字邏輯17
2.1 電路17
2.2 晶體管18
2.3 邏輯門19
2.4 鎖存器21
2.5 觸發(fā)器23
2.6 寄存器24
2.7 加法器25
2.8 時鐘27
2.9 時序邏輯28
2.10 硬件描述語言28
2.11 總結32
2.12 習題32
第3章 處理器要素33
3.1 一個簡單的處理器33
3.1.1 控制單元34
3.1.2 算術邏輯單元36
3.1.3 寄存器 39
3.2 指令集40
3.3 尋址方式40
3.3.1 立即尋址方式41
3.3.2 絕對尋址方式41
3.3.3 絕對索引尋址方式42
3.3.4 間接索引尋址方式43
3.4 指令類型44
3.4.1 內(nèi)存加載指令和存儲指令 44
3.4.2 寄存器到寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令45
3.4.3 堆棧指令45
3.4.4 算術運算指令45
3.4.5 邏輯運算指令46
3.4.6 分支指令46
3.4.7 子程序調(diào)用和返回指令46
3.4.8 處理器標志指令47
3.4.9 中斷相關的指令47
3.4.10 空操作指令47
3.5 中斷處理47
3.5.1 IRQ處理47
3.5.2 NMI處理48
3.5.3 BRK指令處理49
3.6 輸入/輸出操作50
3.6.1 程序查詢I/O51
3.6.2 中斷驅動I/O51
3.6.3 直接存儲器訪問51
3.7 總結52
3.8 習題52
第4章 計算機系統(tǒng)組件54
4.1 技術要求54
4.2 內(nèi)存子系統(tǒng)54
4.3 MOSFET簡介55
4.4 用MOSFET構建DRAM電路56
4.4.1 電容器56
4.4.2 DRAM位單元57
4.4.3 DDR4 SDRAM58
4.4.4 GDDR60
4.4.5 預取60
4.5 I/O子系統(tǒng)61
4.5.1 串行數(shù)據(jù)總線和并行數(shù)據(jù)總線61
4.5.2 PCI Express62
4.5.3 SATA63
4.5.4 M.264
4.5.5 USB64
4.5.6 Thunderbolt64
4.6 圖形顯示65
4.6.1 VGA65
4.6.2 DVI66
4.6.3 HDMI66
4.6.4 DisplayPort66
4.7 網(wǎng)絡接口67
4.7.1 以太網(wǎng)67
4.7.2 Wi-Fi67
4.8 鍵盤和鼠標68
4.8.1 鍵盤68
4.8.2 鼠標69
4.9 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)規(guī)范69
4.10 總結70
4.11 習題70
第5章 硬件-軟件接口71
5.1 設備驅動程序71
5.1.1 并行端口72
5.1.2 PCIe設備驅動程序73
5.1.3 設備驅動程序結構74
5.2 BIOS75
5.3 引導過程77
5.3.1 BIOS引導77
5.3.2 UEFI引導77
5.3.3 嵌入式設備 78
5.4 操作系統(tǒng)78
5.5 進程和線程80
5.6 多處理84
5.7 總結84
5.8 習題85
第6章 專用計算領域86
6.1 實時計算86
6.2 數(shù)字信號處理89
6.2.1 模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器89
6.2.2 DSP硬件特性91
6.2.3 信號處理算法92
6.3 GPU處理95
6.4 專用體系結構示例98
6.5 總結99
6.6 習題99
第二部分 處理器體系結構和指令集
第7章 處理器和存儲器體系結構102
7.1 技術要求102
7.2 馮·諾依曼體系結構、哈佛體系結構、改進型哈佛體系結構102
7.2.1 馮·諾依曼體系結構102
7.2.2 哈佛體系結構104
7.2.3 改進型哈佛體系結構104
7.3 物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存105
7.4 分頁虛擬內(nèi)存107
7.4.1 頁面狀態(tài)位109
7.4.2 內(nèi)存池110
7.5 內(nèi)存管理單元111
7.6 總結113
7.7 習題113
第8章 性能提升技術114
8.1 高速緩存114
8.1.1 多級處理器緩存115
8.1.2 靜態(tài)RAM116
8.1.3 一級緩存117
8.1.4 直接映射緩存117
8.1.5 組相聯(lián)映射緩存119
8.1.6 全相聯(lián)映射緩存120
8.1.7 處理器緩存寫策略121
8.1.8 二級緩存和三級緩存122
8.2 指令流水線123
8.2.1 超流水線125
8.2.2 流水線冒險125
8.2.3 微操作和寄存器重命名126
8.2.4 條件分支127
8.3 同時多線程128
8.4 SIMD處理129
8.5 總結129
8.6 習題130
第9章 專用處理器擴展131
9.1 技術要求131
9.2 處理器的特權模式131
9.2.1 中斷和異常處理131
9.2.2 保護環(huán)133
9.2.3 監(jiān)控模式和用戶模式135
9.2.4 系統(tǒng)調(diào)用135
9.3 浮點數(shù)運算136
9.3.1 8087浮點協(xié)處理器137
9.3.2 IEEE 754浮點數(shù)標準138
9.4 功耗管理139
9.5 系統(tǒng)安全管理140
9.6 總結142
9.7 習題142
第10章 現(xiàn)代處理器體系結構與指令集143
10.1 技術要求143
10.2 x86體系結構與指令集143
10.2.1 x86寄存器集145
10.2.2 x86尋址方式147
10.2.3 x86指令類別149
10.2.4 x86指令格式152
10.2.5 x86匯編語言153
10.3 x64體系結構與指令集155
10.3.1 x64寄存器集156
10.3.2 x64指令類別和格式156
10.3.3 x64匯編語言157
10.4 32位ARM體系結構與指令集158
10.4.1 ARM寄存器集160
10.4.2 ARM尋址方式161
10.4.3 ARM指令類別162
10.4.4 ARM匯編語言164
10.5 64位ARM體系結構與指令集166
10.6 總結168
10.7 習題169
第11章 RISC-V體系結構與指令集171
11.1 技術要求171
11.2 RISC-V體系結構與功能171
11.3 RISC-V基礎指令集173
11.3.1 計算指令173
11.3.2 控制流指令174
11.3.3 訪存指令174
11.3.4 系統(tǒng)指令175
11.
**部分 計算機體系結構基礎知識
第1章 計算機體系結構簡介2
1.1 自動化計算設備的演進2
1.1.1 巴貝奇分析機2
1.1.2 ENIAC3
1.1.3 IBM PC4
1.1.4 iPhone6
1.2 摩爾定律7
1.3 計算機體系結構9
1.3.1 二進制數(shù)和十六進制數(shù)9
1.3.2 6502微處理器12
1.3.3 6502指令集13
1.4 總結15
1.5 習題15
第2章 數(shù)字邏輯17
2.1 電路17
2.2 晶體管18
2.3 邏輯門19
2.4 鎖存器21
2.5 觸發(fā)器23
2.6 寄存器24
2.7 加法器25
2.8 時鐘27
2.9 時序邏輯28
2.10 硬件描述語言28
2.11 總結32
2.12 習題32
第3章 處理器要素33
3.1 一個簡單的處理器33
3.1.1 控制單元34
3.1.2 算術邏輯單元36
3.1.3 寄存器 39
3.2 指令集40
3.3 尋址方式40
3.3.1 立即尋址方式41
3.3.2 絕對尋址方式41
3.3.3 絕對索引尋址方式42
3.3.4 間接索引尋址方式43
3.4 指令類型44
3.4.1 內(nèi)存加載指令和存儲指令 44
3.4.2 寄存器到寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令45
3.4.3 堆棧指令45
3.4.4 算術運算指令45
3.4.5 邏輯運算指令46
3.4.6 分支指令46
3.4.7 子程序調(diào)用和返回指令46
3.4.8 處理器標志指令47
3.4.9 中斷相關的指令47
3.4.10 空操作指令47
3.5 中斷處理47
3.5.1 IRQ處理47
3.5.2 NMI處理48
3.5.3 BRK指令處理49
3.6 輸入/輸出操作50
3.6.1 程序查詢I/O51
3.6.2 中斷驅動I/O51
3.6.3 直接存儲器訪問51
3.7 總結52
3.8 習題52
第4章 計算機系統(tǒng)組件54
4.1 技術要求54
4.2 內(nèi)存子系統(tǒng)54
4.3 MOSFET簡介55
4.4 用MOSFET構建DRAM電路56
4.4.1 電容器56
4.4.2 DRAM位單元57
4.4.3 DDR4 SDRAM58
4.4.4 GDDR60
4.4.5 預取60
4.5 I/O子系統(tǒng)61
4.5.1 串行數(shù)據(jù)總線和并行數(shù)據(jù)總線61
4.5.2 PCI Express62
4.5.3 SATA63
4.5.4 M.264
4.5.5 USB64
4.5.6 Thunderbolt64
4.6 圖形顯示65
4.6.1 VGA65
4.6.2 DVI66
4.6.3 HDMI66
4.6.4 DisplayPort66
4.7 網(wǎng)絡接口67
4.7.1 以太網(wǎng)67
4.7.2 Wi-Fi67
4.8 鍵盤和鼠標68
4.8.1 鍵盤68
4.8.2 鼠標69
4.9 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)規(guī)范69
4.10 總結70
4.11 習題70
第5章 硬件-軟件接口71
5.1 設備驅動程序71
5.1.1 并行端口72
5.1.2 PCIe設備驅動程序73
5.1.3 設備驅動程序結構74
5.2 BIOS75
5.3 引導過程77
5.3.1 BIOS引導77
5.3.2 UEFI引導77
5.3.3 嵌入式設備 78
5.4 操作系統(tǒng)78
5.5 進程和線程80
5.6 多處理84
5.7 總結84
5.8 習題85
第6章 專用計算領域86
6.1 實時計算86
6.2 數(shù)字信號處理89
6.2.1 模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器89
6.2.2 DSP硬件特性91
6.2.3 信號處理算法92
6.3 GPU處理95
6.4 專用體系結構示例98
6.5 總結99
6.6 習題99
第二部分 處理器體系結構和指令集
第7章 處理器和存儲器體系結構102
7.1 技術要求102
7.2 馮·諾依曼體系結構、哈佛體系結構、改進型哈佛體系結構102
7.2.1 馮·諾依曼體系結構102
7.2.2 哈佛體系結構104
7.2.3 改進型哈佛體系結構104
7.3 物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存105
7.4 分頁虛擬內(nèi)存107
7.4.1 頁面狀態(tài)位109
7.4.2 內(nèi)存池110
7.5 內(nèi)存管理單元111
7.6 總結113
7.7 習題113
第8章 性能提升技術114
8.1 高速緩存114
8.1.1 多級處理器緩存115
8.1.2 靜態(tài)RAM116
8.1.3 一級緩存117
8.1.4 直接映射緩存117
8.1.5 組相聯(lián)映射緩存119
8.1.6 全相聯(lián)映射緩存120
8.1.7 處理器緩存寫策略121
8.1.8 二級緩存和三級緩存122
8.2 指令流水線123
8.2.1 超流水線125
8.2.2 流水線冒險125
8.2.3 微操作和寄存器重命名126
8.2.4 條件分支127
8.3 同時多線程128
8.4 SIMD處理129
8.5 總結129
8.6 習題130
第9章 專用處理器擴展131
9.1 技術要求131
9.2 處理器的特權模式131
9.2.1 中斷和異常處理131
9.2.2 保護環(huán)133
9.2.3 監(jiān)控模式和用戶模式135
9.2.4 系統(tǒng)調(diào)用135
9.3 浮點數(shù)運算136
9.3.1 8087浮點協(xié)處理器137
9.3.2 IEEE 754浮點數(shù)標準138
9.4 功耗管理139
9.5 系統(tǒng)安全管理140
9.6 總結142
9.7 習題142
第10章 現(xiàn)代處理器體系結構與指令集143
10.1 技術要求143
10.2 x86體系結構與指令集143
10.2.1 x86寄存器集145
10.2.2 x86尋址方式147
10.2.3 x86指令類別149
10.2.4 x86指令格式152
10.2.5 x86匯編語言153
10.3 x64體系結構與指令集155
10.3.1 x64寄存器集156
10.3.2 x64指令類別和格式156
10.3.3 x64匯編語言157
10.4 32位ARM體系結構與指令集158
10.4.1 ARM寄存器集160
10.4.2 ARM尋址方式161
10.4.3 ARM指令類別162
10.4.4 ARM匯編語言164
10.5 64位ARM體系結構與指令集166
10.6 總結168
10.7 習題169
第11章 RISC-V體系結構與指令集171
11.1 技術要求171
11.2 RISC-V體系結構與功能171
11.3 RISC-V基礎指令集173
11.3.1 計算指令173
11.3.2 控制流指令174
11.3.3 訪存指令174
11.3.4 系統(tǒng)指令175
11.
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現(xiàn)代計算機組成與體系結構 作者簡介
安建峰，2009年獲得西北工業(yè)大學計算機學院工學博士學位，現(xiàn)為西北工業(yè)大學計算機學院副教授。2010年在比利時魯汶大學和歐洲微電子中心（IMEC）進修，2014年在新加坡國立大學計算機學院訪問研究。主要研究方向為高性能計算機體系結構、嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計、FPGA可重構電路等。承擔“計算機組成原理”“計算機系統(tǒng)結構”“SoC設計方法學”等課程的教學工作。
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