計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（第2版）

目　　錄
叢書(shū)序言
推薦序
自序
前言
第一部分　引言
第1章　引言2
　1.1　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容2
　　　1.1.1　一以貫之2
　　　1.1.2　什么是計(jì)算機(jī)5
　　　1.1.3　計(jì)算機(jī)的基本組成6
　1.2　衡量計(jì)算機(jī)的指標(biāo)8
　　　1.2.1　計(jì)算機(jī)的性能8
　　　1.2.2　計(jì)算機(jī)的價(jià)格10
　　　1.2.3　計(jì)算機(jī)的功耗11
　1.3　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展12
　　　1.3.1　摩爾定律和工藝的發(fā)展13
　　　1.3.2　計(jì)算機(jī)應(yīng)用和體系結(jié)構(gòu)17
　　　1.3.3　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展18
　1.4　體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則20
　　　1.4.1　平衡性20
　　　1.4.2　局部性21
　　　1.4.3　并行性22
　　　1.4.4　虛擬化23
　1.5　本章小結(jié)24
　習(xí)題24
第二部分　指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
第2章　指令系統(tǒng)26
　2.1　指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介26
　2.2　指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則26
　2.3　指令系統(tǒng)發(fā)展歷程28
　　　2.3.1　指令集的演變28
　　　2.3.2　存儲(chǔ)管理的演變29
　　　2.3.3　運(yùn)行級(jí)別的演變30
　2.4　指令集結(jié)構(gòu)32
　　　2.4.1　地址空間32
　　　2.4.2　操作數(shù)34
　　　2.4.3　指令操作和編碼35
　2.5　RISC指令集比較36
　　　2.5.1　指令格式比較36
　　　2.5.2　尋址方式比較36
　　　2.5.3　公共指令功能37
　　　2.5.4　不同指令系統(tǒng)的特色39
　2.6　C語(yǔ)言的機(jī)器表示40
　　　2.6.1　過(guò)程調(diào)用40
　　　2.6.2　流程控制語(yǔ)句41
　2.7　本章小結(jié)43
　習(xí)題44
第3章　特權(quán)指令系統(tǒng)45
　3.1　特權(quán)指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介45
　3.2　異常與中斷47
　　　3.2.1　異常分類(lèi)47
　　　3.2.2　異常處理47
　　　3.2.3　中斷49
　3.3　存儲(chǔ)管理51
　　　3.3.1　存儲(chǔ)管理的原理51
　　　3.3.2　TLB的結(jié)構(gòu)和使用53
　　　3.3.3　TLB異常的處理55
　3.4　本章小結(jié)60
　習(xí)題60
第4章　軟硬件協(xié)同62
　4.1　函數(shù)調(diào)用規(guī)范62
　　　4.1.1　MIPS ABI整數(shù)寄存器約定62
　　　4.1.2　MIPS ABI函數(shù)調(diào)用約定63
　　　4.1.3　MIPS堆棧布局64
　4.2　中斷的生命周期66
　4.3　系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程67
　4.4　同步與通信68
　　　4.4.1　基于互斥的同步機(jī)制68
　　　4.4.2　非阻塞的同步機(jī)制69
　4.5　本章小結(jié)69
　習(xí)題70X
三部分　計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)
第5章　計(jì)算機(jī)組成原理和結(jié)構(gòu)72
　5.1　馮·諾依曼結(jié)構(gòu)72
　5.2　計(jì)算機(jī)的組成部件73
　　　5.2.1　運(yùn)算器73
　　　5.2.2　控制器74
　　　5.2.3　存儲(chǔ)器76
　　　5.2.4　輸入/輸出設(shè)備81
　5.3　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)發(fā)展83
　　　5.3.1　CPU-GPU-北橋-南橋四片結(jié)構(gòu)84
　　　5.3.2　CPU-北橋-南橋三片結(jié)構(gòu)84
　　　5.3.3　CPU-弱北橋-南橋三片結(jié)構(gòu)85
　　　5.3.4　CPU-南橋兩片結(jié)構(gòu)85
　　　5.3.5　SoC單片結(jié)構(gòu)86
　5.4　處理器和IO設(shè)備間的通信86
　　　5.4.1　IO寄存器尋址86
　　　5.4.2　處理器和IO設(shè)備之間的同步87
　　　5.4.3　存儲(chǔ)器和IO設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送88
　　　5.4.4　龍芯3A3000+7A1000橋片系統(tǒng)中的CPU、GPU、DC通信90
　5.5　本章小結(jié)91
　習(xí)題91
第6章　計(jì)算機(jī)總線接口技術(shù)93
　6.1　總線概述93
　6.2　總線分類(lèi)94
　6.3　片上總線95
　6.4　內(nèi)存總線100
　6.5　系統(tǒng)總線107
　　　6.5.1　HyperTransport總線107
　　　6.5.2　HT包格式110
　6.6　設(shè)備總線111
　　　6.6.1　PCIE總線112
　　　6.6.2　PCIE包格式113
　6.7　本章小結(jié)113
　習(xí)題114
第7章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程分析115
　7.1　處理器核初始化115
　　　7.1.1　處理器復(fù)位116
　　　7.1.2　調(diào)試接口初始化117
　　　7.1.3　TLB初始化119
　　　7.1.4　Cache初始化120
　7.2　總線接口初始化122
　　　7.2.1　內(nèi)存初始化123
　　　7.2.2　IO總線初始化123
　7.3　設(shè)備的探測(cè)及驅(qū)動(dòng)加載124
　7.4　多核啟動(dòng)過(guò)程129
　　　7.4.1　初始化時(shí)的多核協(xié)同129
　　　7.4.2　操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的
多核喚醒130
　　　7.4.3　核間同步與通信131
　7.5　本章小結(jié)132
　習(xí)題132
第四部分　CPU的微結(jié)構(gòu)
第8章　運(yùn)算器設(shè)計(jì)134
　8.1　二進(jìn)制與邏輯電路134
　　　8.1.1　計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示134
　　　8.1.2　MOS晶體管工作原理139
　　　8.1.3　CMOS邏輯電路141
　8.2　簡(jiǎn)單運(yùn)算器設(shè)計(jì)148
　　　8.2.1　定點(diǎn)補(bǔ)碼加法器148
　　　8.2.2　減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)153
　　　8.2.3　比較運(yùn)算實(shí)現(xiàn)153
　　　8.2.4　移位器154
　8.3　定點(diǎn)補(bǔ)碼乘法器155
　　　8.3.1　補(bǔ)碼乘法器155
　　　8.3.2　Booth乘法器157
　　　8.3.3　華萊士樹(shù)161
　8.4　本章小結(jié)164
　習(xí)題165
第9章　指令流水線167
　9.1　單周期處理器167
　9.2　流水線處理器169
　9.3　指令相關(guān)和流水線沖突171
　　　9.3.1　數(shù)據(jù)相關(guān)引發(fā)的沖突及解決辦法172
　　　9.3.2　控制相關(guān)引發(fā)的沖突及解決方法175
　　　9.3.3　結(jié)構(gòu)相關(guān)引發(fā)的沖突及解決辦法176
　9.4　流水線與異常處理176
　9.5　提高流水線效率的技術(shù)177
　　　9.5.1　多發(fā)射數(shù)據(jù)通路177
　　　9.5.2　動(dòng)態(tài)調(diào)度178
　　　9.5.3　轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)181
　　　9.5.4　高速緩存183
　9.6　本章小結(jié)186
　習(xí)題188第五部分　并行處理結(jié)構(gòu)
第10章　并行編程基礎(chǔ)190
　10.1　程序的并行行為190
　　　　10.1.1　指令級(jí)并行性190
　　　　10.1.2　數(shù)據(jù)級(jí)并行性191
　　　　10.1.3　任務(wù)級(jí)并行性191
　10.2　并行編程模型191
　　　　10.2.1　單任務(wù)數(shù)據(jù)并行模型192
　　　　10.2.2　多任務(wù)共享存儲(chǔ)編程模型192
　　　　10.2.3　多任務(wù)消息傳遞編程模型192
　　　　10.2.4　共享存儲(chǔ)與消息傳遞編程模型的
編程復(fù)雜度193
　10.3　典型并行編程環(huán)境196
　　　　10.3.1　數(shù)據(jù)并行SIMD編程196
　　　　10.3.2　POSIX編程標(biāo)準(zhǔn)197
　　　　10.3.3　OpenMP標(biāo)準(zhǔn)200
　　　　10.3.4　消息傳遞編程接口206
　習(xí)題211
第11章　多核處理結(jié)構(gòu)212
　11.1　多核處理器的發(fā)展演化212]
　11.2　多核處理器的訪存結(jié)構(gòu)215
　　　　11.2.1　通用多核處理器的片上Cache結(jié)構(gòu)215
　　　　11.2.2　存儲(chǔ)一致性模型217
　　　　11.2.3　Cache一致性協(xié)議219
　11.3　多核處理器的互連結(jié)構(gòu)223
　11.4　多核處理器的同步機(jī)制228
　11.5　典型多核處理器233
　　　　11.5.1　龍芯3號(hào)多核處理器233
　　　　11.5.2　Intel SandyBridge架構(gòu)234
　　　　11.5.3　IBM Cell處理器236
　　　　11.5.4　NVIDIA GPU237
　　　　11.5.5　Tile64處理器239
　習(xí)題241
第六部分　系統(tǒng)評(píng)價(jià)與性能分析
第12章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)評(píng)價(jià)和性能分析244
　12.1　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)244
　　　　12.1.1　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)244
　　　　12.1.2　并行系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)248
　12.2　測(cè)試程序集249
　　　　12.2.1　微基準(zhǔn)測(cè)試程序250
　　　　12.2.2　SPEC CPU基準(zhǔn)測(cè)試程序258
　　　　12.2.3　并行系統(tǒng)基準(zhǔn)測(cè)試程序263
　　　　12.2.4　其他常見(jiàn)的基準(zhǔn)測(cè)試程序集264
　12.3　性能分析方法265
　　　　12.3.1　分析建模的方法267
　　　　12.3.2　模擬建模的方法和模擬器268
　　　　12.3.3　性能測(cè)量的方法270
　12.4　性能測(cè)試和分析實(shí)例282
12.4.1　動(dòng)態(tài)執(zhí)行指令的數(shù)目和分類(lèi)283
　　　　12.4.2　SPEC CPU基準(zhǔn)測(cè)試程序的分值對(duì)比285
　　　　12.4.3　動(dòng)態(tài)執(zhí)行指令數(shù)對(duì)比…286
　　　　12.4.4　IPC對(duì)比288
　　　　12.4.5　分支誤預(yù)測(cè)率和分支吞吐率對(duì)比289
　　　　12.4.6　存儲(chǔ)訪問(wèn)延遲對(duì)比292
　　　　12.4.7　存儲(chǔ)訪問(wèn)操作的并發(fā)性293
　　　　12.4.8　并發(fā)操作性對(duì)比294
　習(xí)題295總結(jié)：什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)297
參考文獻(xiàn)305