現代計算機組成與體系結構

第一部分電腦體系結構基礎知識
第1章電腦體系結構簡介2
1.1自動化計算設備的演進2
1.1.1巴貝奇分析機2
1.1.2ENIAC3
1.1.3IBM PC4
1.1.4iPhone6
1.2摩爾定律7
1.3電腦體系結構9
1.3.1二進位數字和十六進位數9
1.3.26502微處理器12
1.3.36502指令集13
1.4總結15
1.5習題15
第2章數位邏輯17
2.1電路17
2.2電晶體18
2.3邏輯門19
2.4鎖存器21
2.5觸發器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硬體描述語言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算數邏輯單位36
3.1.3寄存器 39
3.2指令集40
3.3定址方式40
3.3.1即時定位方式41
3.3.2 定址方式41
3.3.3 索引定址方式42
3.3.4間接索引定址方式43
3.4指令類型44
3.4.1記憶體載入指令和存儲指令 44
3.4.2寄存器到寄存器的資料傳送指令45
3.4.3堆疊指令45
3.4.4算數運算指令45
3.4.5邏輯運算指令46
3.4.6分支指令46
3.4.7副程式調用和返回指令46
3.4.8處理器標誌指令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
3.5.1IRQ處理47
3.5.2NMI處理48
3.5.3BRK指令處理49
3.6輸入/輸出操作50
3.6.1程式查詢I/O51
3.6.2中斷驅動I/O51
3.6.3直接記憶體訪問51
3.7總結52
3.8習題52
第4章電腦系統元件54
4.1技術要求54
4.2記憶體子系統54
4.3MOSFET簡介55
4.4用MOSFET構建DRAM電路56
4.4.1電容器56
4.4.2DRAM位元單元57
4.4.3DDR4 SDRAM58
4.4.4GDDR60
4.4.5預取60
4.5I/O子系統61
4.5.1串列資料匯流排和並行資料匯流排61
4.5.2PCI Express62
4.5.3SATA63
4.5.4M.264
4.5.5USB64
4.5.6Thunderbolt64
4.6圖形顯示65
4.6.1VGA65
4.6.2DVI66
4.6.3HDMI66
4.6.4DisplayPort66
4.7網路介面67
4.7.1乙太網67
4.7.2Wi-Fi67
4.8鍵盤和滑鼠68
4.8.1鍵盤68
4.8.2滑鼠69
4.9現代電腦系統規範69
4.10總結70
4.11習題70
第5章硬體-軟體介面71
5.1設備驅動程式71
5.1.1平行埠72
5.1.2PCIe設備驅動程式73
5.1.3設備驅動程式結構74
5.2BIOS75
5.3引導過程77
5.3.1BIOS引導77
5.3.2UEFI引導77
5.3.3嵌入式設備 78
5.4作業系統78
5.5進程和執行緒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即時計算86
6.2數位信號處理89
6.2.1模數轉換器和數模轉換器89
6.2.2DSP硬體特性91
6.2.3信號處理演算法92
6.3GPU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章處理器和記憶體體系結構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實體記憶體和虛擬記憶體105
7.4分頁虛擬記憶體107
7.4.1頁面狀態位元109
7.4.2記憶體池110
7.5記憶體管理單元111
7.6總結113
7.7習題113
第8章性能提升技術114
8.1快取記憶體114
8.1.1多級處理器緩存115
8.1.2靜態RAM116
8.1.3一級緩存117
8.1.4直接映射緩存117
8.1.5組相聯映射緩存119
8.1.6全相聯映射緩存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同時多執行緒128
8.4SIMD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133
9.2.3監控模式和使用者模式135
9.2.4系統調用135
9.3浮點數運算136
9.3.18087浮點輔助處理器137
9.3.2IEEE 754浮點數標準138
9.4功耗管理139
9.5系統安全管理140
9.6總結142
9.7習題142
第10章現代處理器體系結構與指令集143
10.1技術要求143
10.2x86體系結構與指令集143
10.2.1x86寄存器集145
10.2.2x86定址方式147
10.2.3x86指令類別149
10.2.4x86指令格式152
10.2.5x86組合語言153
10.3x64體系結構與指令集155
10.3.1x64寄存器集156
10.3.2x64指令類別和格式156
10.3.3x64組合語言157
10.432位元元ARM體系結構與指令集158
10.4.1ARM寄存器集160
10.4.2ARM定址方式161
10.4.3ARM指令類別162
10.4.4ARM組合語言164
10.564位元元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
11.2RISC-V體系結構與功能171
11.3RISC-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系統指令175
11.3.5虛擬指令176
11.3.6特權級177
11.4RISC-V擴展178
11.4.1M擴展178
11.4.2A擴展178
11.4.3C擴展179
11.4.4F擴展和D擴展179
11.4.5其他擴展180
11.564位RISC-V180
11.6標準RISC-V配置181
11.7RISC-V組合語言181
11.8在FPGA中實現RISC-V182
11.9總結185
11.10習題185
 
第三部分電腦體系結構的應用
第12章處理器虛擬化188
12.1技術要求188
12.2虛擬化介紹188
12.2.1 虛擬化類型188
12.2.2處理器虛擬化的類型190
12.3虛擬化的挑戰193
12.3.1不安全指令194
12.3.2影子頁表194
12.3.3安全性194
12.4虛擬化現代處理器195
12.4.1x86處理器虛擬化195
12.4.2ARM處理器虛擬化196
12.4.3RISC-V處理器虛擬化196
12.5虛擬化工具197
12.5.1VirtualBox197
12.5.2VMware Workstation197
12.5.3VMware ESXi198
12.5.4KVM198
12.5.5Xen198
12.5.6QEMU198
12.6虛擬化和雲計算199
12.7總結199
12.8習題200
第13章領域專用電腦體系結構201
13.1技術要求201
13.2設計滿足特定需求的電腦系統201
13.3智慧手機體系結構202
13.4PC體系結構204
13.4.1Alienware Aurora Ryzen Edition遊戲桌上型電腦204
13.4.2Ryzen 9 3950X的分支預測205
13.4.3Nvidia GeForce RTX 2080 Ti GPU205
13.4.4Aurora子系統206
13.5倉儲式計算體系結構 207
13.5.1WSC硬體207
13.5.2基於機架的伺服器209
13.5.3硬體故障管理 210
13.5.4電力消耗210
13.5.5WSC作為多級資訊緩存211
13.6神經網路與機器學習體系結構211
13.7總結213
13.8習題214
 4章電腦體系結構的未來發展方向215
14.1電腦體系結構的發展歷程215
14.2未來的發展趨勢216
14.2.1重溫摩爾定律216
14.2.23D堆疊217
14.2.3提高設備的專用化程度217
14.3潛在的顛覆性技術218
14.3.1量子物理學218
14.3.2自旋電子學219
14.3.3量子計算219
14.3.4碳納米管222
14.4培養適應未來發展的技能222
14.4.1持續學習222
14.4.2會議與期刊223
14.5總結224
14.6習題224
 
習題答案225
第1章習題答案225
第2章習題答案236
第3章習題答案240
第4章習題答案248
第5章習題答案249
第6章習題答案251
第7章習題答案253
第8章習題答案255
第9章習題答案256
第10章習題答案263
第11章習題答案289
第12章習題答案295
第13章習題答案298
第14章習題答案300