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《计算机体系结构基础》(第三版)github地址

“计算机体系结构” 是研究怎么造计算机而不是怎么用计算机的学科。

计算机专业有几门 “当家” 的核心课程是关于 “如何造计算机” 的, 硬件方面以计算机
组成原理和计算机体系结构为主, 软件方面以操作系统和编译原理为主。
计算机体系结构就是研究怎么做 CPU 的核心课程。

计算机体系结构 (Computer Architecture) 是描述计算机各组成部分及其相互关系的一组规则和方法, 是程序员所看到的计算机属性。 计算机体系结构的主要研究内容包括指令系统结构(Instruction Set Architecture, 简称 ISA) 和计算机组织结构 (Computer Organization)。

冯·诺依曼结构最核心的思想是什么?
实际上, 冯·诺依曼结构就是数据和程序都存在存储器中, CPU 从内存中取指令和数据进行运算, 并且把结果也放在内存中。 概括起来就是存储程序和指令驱动执行。

目录

第一部分 引言
第 1 章 引言 …………………………… 2
1. 1 计算机体系结构的研究内容……… 2
1. 1. 1 一以贯之 ………………… 2
1. 1. 2 什么是计算机 …………… 5
1. 1. 3 计算机的基本组成 ……… 6
1. 2 衡量计算机的指标………………… 9
1. 2. 1 计算机的性能 …………… 9
1. 2. 2 计算机的价格 …………… 11
1. 2. 3 计算机的功耗 …………… 12
1. 3 计算机体系结构的发展 ………… 13
1. 3. 1 摩尔定律和工艺的发展 ……………………… 15
1. 3. 2 计算机应用和体系结构 ……………………… 19
1. 3. 3 计算机体系结构发展 …… 20
1. 4 体系结构设计的基本原则 ……… 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 虚拟化 …………………… 25
1. 5 本章小结 ………………………… 26


第二部分 指令系统结构
第 2 章 指令系统 …………………… 30
2. 1 指令系统简介 …………………… 30
2. 2 指令系统设计原则 ……………… 30
2. 3 指令系统发展历程 ……………… 32
2. 3. 1 指令内容的演变 ………… 32
2. 3. 2 存储管理的演变 ………… 34
2. 3. 3 运行级别的演变 ………… 36
2. 4 指令系统组成 …………………… 37
2. 4. 1 地址空间 ………………… 37
2. 4. 2 操作数 …………………… 39
2. 4. 3 指令操作和编码 ………… 41
2. 5 RISC 指令集比较 ………………… 43
2. 5. 1 指令格式比较 …………… 43
2. 5. 2 寻址方式比较 …………… 44
2. 5. 3 公共指令功能 …………… 44
2. 5. 4 不同指令系统的特色 …… 46
2. 6 C 语言的机器表示 ……………… 47
2. 6. 1 过程调用 ………………… 48
2. 6. 2 流程控制语句 …………… 49
2. 7 本章小结 ………………………… 52


第 3 章 特权指令系统……………… 53
3. 1 特权指令系统简介 ……………… 53
3. 2 异常与中断 ……………………… 56
3. 2. 1 异常分类 ………………… 56
3. 2. 2 异常处理 ………………… 58
3. 2. 3 中断 ……………………… 60
3. 3 存储管理 ………………………… 62
3. 3. 1 存储管理的原理 ………… 63
3. 3. 2 TLB 的结构和使用 ……… 64
3. 3. 3 TLB 地址翻译相关异常的处理 ……………… 70
3. 4 本章小结 ………………………… 73


第 4 章 软硬件协同 ………………… 75
4. 1 应用程序二进制接口 …………… 75
4. 1. 1 寄存器约定 ……………… 76
4. 1. 2 函数调用约定 …………… 78
4. 1. 3 进程虚拟地址空间 ……… 82
4. 1. 4 栈帧布局 ………………… 84
4. 2 六种常见的上下文切换场景 …… 87
4. 2. 1 函数调用 ………………… 87
4. 2. 2 异常和中断 ……………… 88
4. 2. 3 系统调用 ………………… 89
4. 2. 4 进程 ……………………… 91
4. 2. 5 线程 ……………………… 92
4. 2. 6 虚拟机 …………………… 93
4. 2. 7 六种上下文切换场景的对比 ……………………… 94
4. 3 同步机制 ………………………… 94
4. 3. 1 基于互斥的同步机制 …… 95
4. 3. 2 非阻塞的同步机制 ……… 96
4. 4 本章小结 ………………………… 97


第三部分 计算机硬件结构
第 5 章 计算机组成原理和结构 ………………………… 100
5. 1 冯·诺依曼结构 ………………… 100
5. 2 计算机的组成部件 ……………… 101
5. 2. 1 运算器 ………………… 101
5. 2. 2 控制器 ………………… 103
5. 2. 3 存储器 ………………… 105
5. 2. 4 输入/ 输出设备 ………… 110
5. 3 计算机系统硬件结构发展 ……… 113
5. 3. 1 CPU-GPU-北桥-南桥四片结构 ……………… 113
5. 3. 2 CPU-北桥-南桥三片结构 ……………… 114
5. 3. 3 CPU-弱北桥-南桥三片结构 ……………… 114
5. 3. 4 CPU-南桥两片结构 …… 115
5. 3. 5 SoC 单片结构 ………… 116
5. 4 处理器和 IO 设备间的通信 …… 116
5. 4. 1 IO 寄存器寻址 ………… 117
5. 4. 2 处理器和 IO 设备之间的同步 …………………… 117
5. 4. 3 存储器和 IO 设备之间的数据传送 ……………… 119
5. 4. 4 龙芯 3A3000+7A1000桥片系统中的 CPU、GPU、 DC 通信 ………… 120
5. 5 本章小结 ………………………… 122


第 6 章 计算机总线接口技术…… 124
6. 1 总线概述 ………………………… 125
6. 2 总线分类 ………………………… 125
6. 3 片上总线 ………………………… 126
6. 4 内存总线 ………………………… 132
6. 5 系统总线 ………………………… 139
6. 5. 1 HyperTransport 总线 …… 140
6. 5. 2 HT 包格式 ……………… 143
6. 6 设备总线 ………………………… 145
6. 6. 1 PCIE 总线 ……………… 145
6. 6. 2 PCIE 包格式 …………… 146
6. 7 本章小结 ………………………… 147


第 7 章 计算机系统启动过程分析 ………………………… 149
7. 1 处理器核初始化 ………………… 149
7. 1. 1 处理器复位 …………… 150
7. 1. 2 调试接口初始化 ……… 152
7. 1. 3 TLB 初始化 …………… 156
7. 1. 4 Cache 初始化…………… 157
7. 2 总线接口初始化 ………………… 160
7. 2. 1 内存初始化 …………… 160
7. 2. 2 IO 总线初始化 ………… 161
7. 3 设备的探测及驱动加载 ………… 162
7. 4 多核启动过程 …………………… 167
7. 4. 1 初始化时的多核协同 … 167
7. 4. 2 操作系统启动时的多核唤醒 ……………… 168
7. 4. 3 核间同步与通信 ……… 169
7. 5 本章小结 ………………………… 170


第四部分 CPU 微结构
第 8 章 运算器设计 ……………… 172
8. 1 二进制与逻辑电路 ……………… 172
8. 1. 1 计算机中数的表示 …… 172
8. 1. 2 MOS 晶体管工作原理 … 178
8. 1. 3 CMOS 逻辑电路 ……… 180
8. 2 简单运算器设计 ………………… 188
8. 2. 1 定点补码加法器 ……… 188
8. 2. 2 减法运算实现 ………… 193
8. 2. 3 比较运算实现 ………… 194
8. 2. 4 移位器 ………………… 194
8. 3 定点补码乘法器 ………………… 195
8. 3. 1 补码乘法器 …………… 196
8. 3. 2 Booth 乘法器 …………… 198
8. 3. 3 华莱士树 ……………… 202
8. 4 本章小结 ………………………… 206


第 9 章 指令流水线 ……………… 208
9. 1 单周期处理器 …………………… 208
9. 2 流水线处理器 …………………… 210
9. 3 指令相关和流水线冲突 ………… 213
9. 3. 1 数据相关引发的冲突及解决办法 ……………… 214
9. 3. 2 控制相关引发的冲突及解决办法 ……………… 216
9. 3. 3 结构相关引发的冲突及解决办法 ……………… 219
9. 4 流水线与异常处理 ……………… 219
9. 5 提高流水线效率的技术 ………… 220
9. 5. 1 多发射数据通路 ……… 220
9. 5. 2 动态调度 ……………… 221
9. 5. 3 转移预测 ……………… 225
9. 5. 4 高速缓存 ……………… 229
9. 6 本章小结 ………………………… 231


第五部分 并行处理结构
第 10 章 并行编程基础…………… 236
10. 1 程序的并行行为 ……………… 236
10. 1. 1 指令级并行性 ……… 236
10. 1. 2 数据级并行性 ……… 237
10. 1. 3 任务级并行性 ……… 237
10. 2 并行编程模型 ………………… 238
10. 2. 1 单任务数据并行模型 … 238
10. 2. 2 多任务共享存储编程模型 …………… 238
10. 2. 3 多任务消息传递编程模型 …………… 239
10. 2. 4 共享存储与消息传递编程模型的编程复杂度 ………… 239
10. 3 典型并行编程环境 …………… 242
10. 3. 1 数据并行 SIMD 编程 … 242
10. 3. 2 POSIX 编程标准 …… 244
10. 3. 3 OpenMP 标准………… 247
10. 3. 4 MPI 消息传递编程接口 ………………… 253
10. 4 本章小结 ……………………… 259


第 11 章 多核处理结构 ………… 260
11. 1 多核处理器的发展演化 ……… 260
11. 2 多核处理器的访存结构 ……… 263
11. 2. 1 通用多核处理器的片上 Cache 结构 …… 263
11. 2. 2 存储一致性模型 …… 265
11. 2. 3 Cache 一致性协议…… 267
11. 3 多核处理器的互连结构 ……… 272
11. 4 多核处理器的同步机制 ……… 278
11. 5 典型多核处理器 ……………… 282
11. 5. 1 龙芯 3A5000 处理器 … 282
11. 5. 2 Intel SandyBridge 架构… 284
11. 5. 3 IBM Cell 处理器 …… 286
11. 5. 4 NVIDIA GPU ……… 287
11. 5. 5 Tile64 处理器 ……… 289
11. 6 本章小结 ……………………… 289


第六部分 系统评价与性能分析
第 12 章 计算机系统评价和性能分析 ………………… 294
12. 1 计算机系统性能评价指标 …… 294
12. 1. 1 计算机系统常用性能评价指标 …………… 295
12. 1. 2 并行系统的性能评价指标 ………………… 299
12. 2 测试程序集 …………………… 300
12. 2. 1 微基准测试程序 …… 301
12. 2. 2 SPEC CPU 基准测试程序 ………………… 310
12. 2. 3 并行系统基准测试程序 ………………… 316
12. 2. 4 其他常见的基准测试程序集 ……………… 319
12. 3 性能分析方法 ………………… 320
12. 3. 1 分析建模的方法 …… 322
12. 3. 2 模拟建模的方法和模拟器 ……………… 322
12. 3. 3 性能测量的方法 …… 325
12. 4 性能测试和分析实例 ………… 334
12. 4. 1 SPEC CPU 基准测试程序的分值对比 …… 335
12. 4. 2 微结构相关统计数据 ………………… 338
12. 4. 3 基础性能参数 ……… 344
12. 5 本章小结 ……………………… 348


总结: 什么是计算机体系结构…… 350
参考文献 ……………………………… 359