Computer organization and architecture designing for performance

《计算机组成与体系结构:性能设计(原书第8版)》

出版者的话

译者序

前言

第0章读者指南1

0.1本书概要1

0.2导读1

0.3为何要学习计算机组成和体系结构1

0.4因特网与web资源2

0.4.1本书的web站点2

0.4.2其他web站点3

0.4.3usenet新闻组3

第一部分概论

第1章导论6

1.1计算机组成与体系结构6

1.2结构和功能7

1.2.1功能7

1.2.2结构8

1.3关键词和思考题9

第2章计算机的演变和性能10

.2.1计算机简史10

2.1.1第一代：真空管10

2.1.2第二代：晶体管15

2.1.3第三代：集成电路16

2.1.4后续几代20

2.2性能设计22

2.2.1微处理器的速度23

2.2.2性能平衡23

2.2.3芯片组成和体系结构的改进25

2.3intel x86体系结构的进展26

2.4嵌入式系统和arm27

2.4.1嵌入式系统27

2.4.2arm的进展29

2.5性能评价30

2.5.1时钟速度和每秒指令数30

2.5.2基准程序32

2.5.3阿姆达尔定律34

2.6推荐的读物和web站点35

2.7关键词、思考题和习题36

第二部分计算机系统

第3章计算机功能和互连的顶层视图42

3.1计算机的部件42

3.2计算机的功能44

3.2.1指令的读取和执行44

3.2.2中断46

3.2.3i/o功能51

3.3互连结构51

3.4总线互连52

3.4.1总线结构52

3.4.2多总线层次结构54

3.4.3总线的设计要素55

3.5pci58

3.5.1总线结构58

3.5.2pci命令61

3.5.3数据传送62

3.5.4仲裁63

3.6推荐的读物和web站点64

3.7关键词、思考题和习题64

附录3a时序图67

第4章cache存储器69

4.1计算机存储系统概述69

4.1.1存储系统的特性69

4.1.2存储器层次结构71

4.2cache存储器原理73

4.3cache的设计要素75

4.3.1cache地址75

4.3.2cache容量76

4.3.3映射功能77

4.3.4替换算法85

4.3.5写策略85

4.3.6行大小86

4.3.7cache数目86

4.4pentium 4的cache组织88

4.5arm的cache组织90

4.6推荐的读物91

4.7关键词、思考题和习题91

附录4a两级存储器的性能特点95

第5章内部存储器100

5.1半导体主存储器100

5.1.1组织100

5.1.2dram和sram100

5.1.3rom类型102

5.1.4芯片逻辑103

5.1.5芯片封装104

5.1.6模块组织105

5.1.7多体交叉存储器106

5.2纠错107

5.3高级dram组织110

5.3.1同步dram111

5.3.2rambus dram112

5.3.3ddr dram113

5.3.4cache dram114

5.4推荐的读物和web站点114

5.5关键词、思考题和习题115

第6章外部存储器118

6.1磁盘118

6.1.1磁读写机制118

6.1.2数据组织和格式化119

6.1.3物理特性121

6.1.4磁盘性能参数122

6.2raid124

6.2.1raid 0级125

6.2.2raid 1级128

6.2.3raid 2级128

6.2.4raid 3级128

6.2.5raid 4级129

6.2.6raid 5级130

6.2.7raid 6级130

6.3光存储器131

6.3.1光盘131

6.3.2数字多功能光盘133

6.3.3高清晰光盘134

6.4磁带135

6.5推荐的读物和web站点136

6.6关键词、思考题和习题137

第7章输入/输出140

7.1外部设备140

7.1.1键盘/监视器141

7.1.2磁盘驱动器142

7.2i/o模块142

7.2.1模块功能142

7.2.2i/o模块结构143

7.3编程式i/o143

7.3.1编程式i/o概述144

7.3.2i/o命令144

7.3.3i/o指令144

7.4中断驱动式i/o146

7.4.1中断处理146

7.4.2设计问题148

7.4.3intel 82c59a中断控制器149

7.4.4intel 82c55a可编程外部接口150

7.5直接存储器存取151

7.5.1编程式i/o和中断驱动式i/o的缺点151

7.5.2dma功能151

7.5.3intel 8237a dma控制器153

7.6i/o通道和处理器155

7.6.1i/o功能的演变155

7.6.2i/o通道的特点155

7.7外部接口：firewire和infiniband156

7.7.1接口类型156

7.7.2点对点和多点配置156

7.7.3firewire串行总线157

7.7.4infiniband159

7.8推荐的读物和web站点162

7.9关键词、思考题和习题162

第8章操作系统支持166

8.1操作系统概述166

8.1.1操作系统的目标与功能166

8.1.2操作系统的类型168

8.2调度173

8.2.1长期调度173

8.2.2中期调度173

8.2.3短期调度173

8.3存储器管理176

8.3.1交换177

8.3.2分区177

8.3.3分页179

8.3.4虚拟存储器180

8.3.5快表182

8.3.6分段183

8.4pentium存储器管理184

8.4.1地址空间184

8.4.2分段184

8.4.3分页186

8.5arm存储器管理187

8.5.1存储器系统组织187

8.5.2虚拟存储器地址转换187

8.5.3存储器管理格式189

8.5.4存取控制190

8.6推荐的读物和web站点191

8.7关键词、思考题和习题191

第三部分中央处理器

第9章计算机算术196

9.1算术逻辑单元196

9.2整数表示196

9.2.1符号-幅值表示法197

9.2.22的补码表示法197

9.2.3不同位长间的转换199

9.2.4定点表示法200

9.3整数算术200

9.3.1取负200

9.3.2加法和减法201

9.3.3乘法203

9.3.4除法207

9.4浮点表示208

9.4.1原理208

9.4.2二进制浮点表示的ieee标准211

9.5浮点算术212

9.5.1浮点加法和减法213

9.5.2浮点乘法和除法214

9.5.3精度考虑215

9.5.4二进制浮点算术的ieee标准216

9.6推荐的读物和web站点218

9.7关键词、思考题和习题219

第10章指令集：特征和功能222

10.1机器指令特征222

10.1.1机器指令要素222

10.1.2指令表示223

10.1.3指令类型224

10.1.4地址数目225

10.1.5指令集设计226

10.2操作数类型226

10.2.1数值227

10.2.2字符227

10.2.3逻辑数据228

10.3intel x86和arm数据类型228

10.3.1x86数据类型228

10.3.2arm数据类型229

10.4操作类型230

10.4.1数据传送232

10.4.2算术运算233

10.4.3逻辑运算233

10.4.4转换234

10.4.5输入/输出235

10.4.6系统控制235

10.4.7控制转移235

10.5intel x86和arm操作类型238

10.5.1x86操作类型238

10.5.2arm操作类型244

10.6推荐的读物246

10.7关键词、思考题和习题246

附录10a栈250

附录10b小端、大端和双端253

第11章指令集：寻址方式和指令格式256

11.1寻址方式256

11.1.1立即寻址257

11.1.2直接寻址257

11.1.3间接寻址257

11.1.4寄存器寻址258

11.1.5寄存器间接寻址258

11.1.6偏移寻址258

11.1.7栈寻址260

11.2x86和arm寻址方式260

11.2.1x86寻址方式260

11.2.2arm寻址方式262

11.3指令格式264

11.3.1指令长度264

11.3.2位的分配265

11.3.3变长指令267

11.4x86和arm指令格式269

11.4.1x86指令格式269

11.4.2arm指令格式271

11.5汇编语言272

11.6推荐的读物274

11.7关键词、思考题和习题274

第12章cpu结构和功能277

12.1cpu组成277

12.2寄存器组成278

12.2.1用户可见寄存器278

12.2.2控制和状态寄存器280

12.2.3微处理器寄存器组成的例子281

12.3指令周期282

12.3.1间接周期282

12.3.2数据流283

12.4指令流水线技术283

12.4.1流水线策略284

12.4.2流水线性能286

12.4.3流水线冒险288

12.4.4处理分支指令289

12.4.5intel 80486的流水线292

12.5x86系列处理器293

12.5.1寄存器组成294

12.5.2中断处理298

12.6arm处理器299

12.6.1处理器组成300

12.6.2处理器模式301

12.6.3寄存器组成301

12.6.4中断处理303

12.7推荐的读物304

12.8关键词、思考题和习题304

第13章精简指令集计算机308

13.1指令执行特征309

13.1.1操作309

13.1.2操作数310

13.1.3过程调用311

13.1.4推论311

13.2大寄存器组方案的使用311

13.2.1寄存器窗口312

13.2.2全局变量313

13.2.3大寄存器组与高速缓存的对比313

13.3基于编译器的寄存器优化314

13.4精简指令集体系结构315

13.4.1采用cisc的理由315

13.4.2精简指令集体系结构特征317

13.4.3cisc与risc特征对比318

13.5risc流水线技术319

13.5.1使用规整指令的流水线技术319

13.5.2流水线的优化320

13.6mips r4000322

13.6.1指令集322

13.6.2指令流水线324

13.7sparc327

13.7.1sparc寄存器组327

13.7.2指令集328

13.7.3指令格式329

13.8risc与cisc的争论330

13.9推荐的读物331

13.10关键词、思考题和习题331

第14章指令级并行性和超标量处理器335

14.1概述335

14.1.1超标量与超级流水线的对比336

14.1.2限制337

14.2设计考虑338

14.2.1指令级并行性和机器并行性338

14.2.2指令发射策略339

14.2.3寄存器重命名341

14.2.4机器并行性342

14.2.5分支预测342

14.2.6超标量执行343

14.2.7超标量实现343

14.3pentium 4343

14.3.1前端347

14.3.2乱序执行逻辑348

14.3.3整数和浮点执行单元349

14.4arm cortex瞐8349

14.4.1指令取指单元349

14.4.2指令译码单元351

14.4.3整数执行单元353

14.4.4simd和浮点流水线354

14.5推荐的读物355

14.6关键词、思考题和习题356

第四部分控制器

第15章控制器操作362

15.1微操作362

15.1.1取指周期363

15.1.2间接周期364

15.1.3中断周期365

15.1.4执行周期365

15.1.5指令周期366

15.2处理器控制367

15.2.1功能需求367

15.2.2控制信号367

15.2.3控制信号举例368

15.2.4处理器内部的组织369

15.2.5intel 8085370

15.3硬布线实现373

15.3.1控制器输入373

15.3.2控制器逻辑374

15.4推荐的读物374

15.5关键词、思考题和习题375

第16章微程序控制376

16.1基本概念376

16.1.1微指令376

16.1.2微程序控制器378

16.1.3wilkes控制379

16.1.4优缺点382

16.2微指令定序382

16.2.1设计考虑382

16.2.2定序技术382

16.2.3地址生成384

16.2.4lsi11微指令定序384

16.3微指令执行385

16.3.1微指令的分类法385

16.3.2微指令编码387

16.3.3lsi11微指令执行388

16.3.4ibm 3033微指令执行390

16.4ti 8800391

16.4.1微指令格式391

16.4.2微定序器393

16.4.3寄存器式alu395

16.5推荐的读物397

16.6关键词、思考题和习题397

第五部分并 行 组 织

第17章并行处理400

17.1多处理器组织401

17.1.1并行处理器系统的类型401

17.1.2并行组织402

17.2对称多处理器402

17.2.1组织403

17.2.2多处理器操作系统设计考虑405

17.2.3大型机smp405

17.3cache一致性和mesi协议407

17.3.1软件解决方案408

17.3.2硬件解决方案408

17.3.3mesi协议409

17.4多线程和片上多处理器411

17.4.1隐式和显式多线程412

17.4.2显式多线程的方式413

17.4.3示例系统415

17.5集群416

17.5.1集群配置417

17.5.2操作系统设计问题418

17.5.3集群计算机体系结构419

17.5.4刀片服务器420

17.5.5集群与smp的对比421

17.6非均匀存储器访问421

17.6.1动机421

17.6.2组织422

17.6.3numa的优缺点423

17.7向量计算424

17.7.1向量计算的方法424

17.7.2ibm 3090向量机制427

17.8推荐的读物和web站点432

17.9关键词、思考题和习题433

第18章多核计算机437

18.1硬件性能问题437

18.1.1增加并行437

18.1.2功耗439

18.2软件性能问题440

18.2.1多核软件440

18.2.2应用实例：valve游戏软件441

18.3多核组织结构442

18.4intel x86多核结构443

18.4.1intel core duo443

18.4.2intel core i7445

18.5arm11 mpcore445

18.5.1中断处理446

18.5.2cache一致性448

18.6推荐的读物和web站点448

18.7关键词、思考题和习题449

附录a计算机组成与体系结构的教学课题451

附录b汇编语言及相关主题455

术语表473

参考文献480