计算机系统 嵌入式方法

这是一本从嵌入式角度探索计算机硬件和软件原理的综合教科书。本书逐步揭示了如何在现实世界中运用这些计算原理构建计算机系统，包括从小型嵌入式设备到仓库大小的计算机集群的各种计算机系统，并揭示了这些概念是如何通过互联网在全球范围内相互关联的。本书首先完整地讲述了主要的硬件组件，包括处理器、内存、存储设备与性能加速器，接着充分探讨了操作系统、连接以及网络。通过本书，你将了解计算机硬件和软件是如何协同工作来支持无处不在的计算、物联网、移动计算技术以及大小不一的应用的。

出版者的话
译者序
前言
致谢
关于作译者
第1章引言1
1.1计算机的进化1
1.2进化过程1
1.3计算机发展阶段划分4
1.3.1第一代计算机4
1.3.2第二代计算机5
1.3.3第三代计算机5
1.3.4第四代计算机6
1.3.5第五代计算机7
1.4云、普适、网格和超并行计算机7
1.5未来8
1.6小结10
第2章基础知识11
2.1计算机组成11
2.1.1Flynn分类法11
2.1.2连接方式12
2.1.3计算机结构层次视图13
2.2计算机基本原理13
2.3数字格式16
2.3.1无符号二进制16
2.3.2原码17
2.3.3反码17
2.3.4补码17
2.3.5移码18
2.3.6BCD码19
2.3.7定点数表示法19
2.3.8符号扩展20
2.4算术运算20
2.4.1加法20
2.4.2并行进位传递加法器20
2.4.3超前进位22
2.4.4减法22
2.5乘法24
2.5.1加法迭代法24
2.5.2部分积方法25
2.5.3移位加方法27
2.5.4Booth和Robertson方法27
2.6除法29
2.7定点数格式的运算30
2.7.1定点数的运算31
2.7.2定点数的乘除32
2.8浮点数32
2.8.1广义浮点数33
2.8.2IEEE754浮点标准33
2.8.3IEEE754标准模式34
2.8.4IEEE754数的范围36
2.9浮点数处理38
2.9.1IEEE754数的加减运算39
2.9.2IEEE754数的乘除运算41
2.9.3IEEE754中间格式41
2.9.4舍入42
2.10小结42
思考题43
第3章CPU基础45
3.1什么是计算机45
3.2让计算机为你服务45
3.2.1程序存储46
3.2.2存储架构46
3.2.3程序传输47
3.2.4控制单元48
3.2.5微指令52
3.2.6RISC和CISC的对比53
3.2.7处理器实例——ARM55
3.2.8关于ARM的更多内容56
3.3指令处理56
3.3.1指令集57
3.3.2取指和译码59
3.3.3压缩指令集63
3.3.4寻址模式65
3.3.5堆栈机和逆波兰表示法67
3.4数据处理68
3.4.1数据的格式和表达68
3.4.2数据流71
3.4.3数据存储72
3.4.4内部数据72
3.4.5数据处理73
3.5自顶向下方法75
3.5.1计算机的能力75
3.5.2性能衡量和统计76
3.5.3性能评估78
3.6小结79
思考题80
第4章处理器内部组成82
4.1内部总线结构82
4.1.1程序员的角度82
4.1.2分解互联排列83
4.1.3ADSP21xx总线排列84
4.1.4数据与程序同时访存84
4.1.5双总线体系结构86
4.1.6单总线体系结构87
4.2算术逻辑单元88
4.2.1ALU功能88
4.2.2ALU设计89
4.3内存管理单元91
4.3.1对虚拟存储的需求91
4.3.2MMU操作91
4.3.3退回算法93
4.3.4内部存储碎片和片段93
4.3.5外部碎片94
4.3.6改进的MMU95
4.3.7内存保护96
4.4cache97
4.4.1直接相联cache98
4.4.2组相联cache99
4.4.3全相联cache100
4.4.4局部性原则100
4.4.5cache替换算法102
4.4.6cache性能104
4.4.7cache一致性105
4.5协处理器107
4.6浮点运算单元107
4.7SIMD流指令扩展和多媒体扩展109
4.7.1MMX109
4.7.2MMX实现110
4.7.3MMX的使用111
4.7.4SIMD流指令扩展111
4.7.5使用SSE和MMX111
4.8嵌入式系统中的协处理112
4.9小结112
思考题113
第5章提高CPU性能116
5.1加速116
5.2流水线117
5.2.1多功能流水线118
5.2.2动态流水线119
5.2.3改变流水线模式119
5.2.4数据相关冒险121
5.2.5条件冒险122
5.2.6条件分支123
5.2.7编译时流水线补偿125
5.2.8相对地址分支126
5.2.9流水线的指令集补偿127
5.2.10运行时流水线补偿128
5.3复杂指令集和精简指令集130
5.4超标量体系结构130
5.4.1简单超标量130
5.4.2多发送超标量132
5.4.3超标量的性能133
5.5每周期的指令数133
5.5.1不同体系结构的IPC133
5.5.2IPC度量134
5.6硬件加速器135
5.6.1零开销循环135
5.6.2地址处理硬件137
5.6.3影子寄存器140
5.7分支预测140
5.7.1分支预测的必要性141
5.7.2单T位预测器142
5.7.3双位预测器143
5.7.4计数器和移位器预测器145
5.7.5局部分支预测器145
5.7.6全局分支预测器148
5.7.7G选择预测器149
5.7.8G共享预测器150
5.7.9混合预测器151
5.7.10分支目标缓冲152
5.7.11基本代码段153
5.7.12分支预测总结154
5.8并行机器155
5.8.1SISD向MIMD的演变157
5.8.2为提高性能而采用并行159
5.8.3其他并行处理160
……
第6章外部总线
第7章实用嵌入式CPU
第8章编程
第9章操作系统
第10章连接性
第11章网络系统
第12章未来
附录A标准内存大小表示方法
附录B标准逻辑门
索引