计算机体系结构精髓 原书第2版

本书是计算机体系结构的入门教材，从程序员的视角展开讨论，重点介绍基础知识和概念，不深入底层技术的细节。这种视角旨在帮助程序员新手和计算机专业新生理解体系结构对编程的影响，书中浓缩的核心知识点涵盖了程序员需要掌握的所有硬件层面，从而有利于其更好地进行软件的设计、实现和运维。本书分为五个部分，包括数字逻辑、门和数据通路的基础知识，以及体系结构的三个主要方面——处理器、内存和I/O系统。此外，书中还涉及并行、流水线、能源和性能等高级主题，以及一个动手操作的实验。第2版共包含了三个全新的章节，并在整体上进行了与时俱进的修订。

  

出版者的话
译者序
前言
关于作者
第1章 简介及概览1
1.1 体系结构的重要性1
1.2 学习基础知识1
1.3 本书结构1
1.4 一笔带过的内容2
1.5 术语：体系结构和设计2
1.6 小结2
第一部分 基础知识
第2章 数字逻辑基础4
2.1 引言4
2.2 数字计算装置4
2.3 电气术语：电压和电流4
2.4 晶体管5
2.5 逻辑门5
2.6 使用晶体管实现的“与非”逻辑门电路7
2.7 表示逻辑门的符号8
2.8 逻辑门互连的例子8
2.9 实现二进制加法的数字电路10
2.10 多逻辑门的集成电路10
2.11 不只需要组合逻辑电路11
2.12 维持状态的电路11
2.13 传播延迟12
2.14 使用锁存器构建存储器12
2.15 触发器和波形图13
2.16 二进制计数器14
2.17 时钟和时序15
2.18 反馈的重要概念17
2.19 启动序列18
2.20 软件迭代与硬件复制18
2.21 门和芯片的最简化19
2.22 使用闲置门19
2.23 配电和散热20
2.24 时序和时钟域20
2.25 无时钟逻辑21
2.26 电路规模和摩尔定律21
2.27 电路板和层22
2.28 抽象层次23
2.29 小结23
习题23
第3章 数据和程序的表示25
3.1 引言25
3.2 数字逻辑与抽象的重要性25
3.3 位和字节的定义25
3.4 字节大小和可能的值25
3.5 二进制位权表示法26
3.6 位序27
3.7 十六进制记法28
3.8 十六进制和二进制常数记法29
3.9 字符集29
3.10 Unicode30
3.11 无符号整数、溢出和下溢30
3.12 给位和字节编号31
3.13 有符号二进制整数31
3.14 一个补码数字的例子32
3.15 符号扩展33
3.16 浮点数33
3.17 IEEE浮点值的范围34
3.18 特殊值35
3.19 二进制编码的十进制表示35
3.20 有符号数、分数和压缩BCD表示法36
3.21 数据聚合36
3.22 程序的表示37
3.23 小结37
习题37
第二部分 处理器
第4章 处理器和计算引擎的多样性40
4.1 引言40
4.2 两种基本的体系结构40
4.3 哈佛与冯·诺依曼体系结构40
4.4 处理器的定义41
4.5 处理器的范围41
4.6 分层结构和计算引擎42
4.7 传统处理器的结构43
4.8 处理器的分类和角色44
4.9 处理器技术44
4.10 存储程序45
4.11 取指–执行周期45
4.12 程序转换46
4.13 时钟速率和指令速率46
4.14 控制：启动和停止47
4.15 启动取指–执行周期47
4.16 小结48
习题48
第5章 处理器类型和指令集49
5.1 引言49
5.2 数学能力、便利性和成本49
5.3 指令集架构49
5.4 操作码、操作数和结果50
5.5 典型的指令格式50
5.6 可变长度指令与固定长度指令50
5.7 通用寄存器51
5.8 浮点寄存器和寄存器标识51
5.9 使用寄存器编程51
5.10 寄存器存储体52
5.11 复杂指令集和精简指令集53
5.12 RISC设计和执行流水线53
5.13 流水线和指令延迟54
5.14 引起流水线停顿的其他原因55
5.15 对程序员的影响56
5.16 编程、停顿和无操作指令56
5.17 转发56
5.18 操作类型57
5.19 程序计数器、取指–执行以及分支57
5.20 子程序调用、参数以及寄存器窗口58
5.21 一个示例指令集59
5.22 极简化的指令集61
5.23 正交性原则61
5.24 条件码和条件分支62
5.25 小结62
习题62
第6章 数据通路和指令执行64
6.1 引言64
6.2 数据通路64
6.3 示例指令集64
6.4 内存中的指令66
6.5 移到下一条指令67
6.6 取指令68
6.7 解码指令69
6.8 连接到寄存器单元69
6.9 控制和协调70
6.10 算术运算和复用70
6.11 涉及存储器中数据的操作71
6.12 执行过程的示例72
6.13 小结73
习题73
第7章 操作数寻址和指令表示75
7.1 引言75
7.2 零、一、二或三地址设计75
7.3 每指令零操作数75
7.4 每指令单操作数76
7.5 每指令两操作数76
7.6 每指令三操作数77
7.7 操作数来源和立即数77
7.8 冯·诺依曼体系结构的瓶颈77
7.9 显式和隐式操作数编码78
7.10 组合多个值的操作数79
7.11 权衡操作数的选择79
7.12 内存中的值和间接引用80
7.13 操作数寻址模式的示例80
7.14 小结81
习题81
第8章 CPU：微码、保护和处理器模式83
8.1 引言83
8.2 中央处理器83
8.3 CPU的复杂性83
8.4 执行模式84
8.5 向后兼容性84
8.6 改变模式84
8.7 特权和保护85
8.8 多级保护85
8.9 微码指令86
8.10 微码变体87
8.11 微码的优势87
8.12 FPGA和指令集的改变88
8.13 垂直微码88
8.14 水平微码88
8.15 水平微码的例子89
8.16 水平微码程序示例91
8.17 需要多个周期的操作91
8.18 水平微码和并行执行92
8.19 前瞻性和高性能执行92
8.20 并行和执行顺序93
8.21 乱序指令执行93
8.22 条件分支和分支预测94
……