现代计算机组成与体系结构

作为一名软件开发人员、系统设计师或计算机体系结构专业的学生，当你探索数字设备体系结构时，是否被其复杂性击垮？本书将帮助你学习现代计算机系统的工作原理——从晶体管开关到协作多处理器服务器。在本书中，你将深入学习处理器的内部行为，以设计更高效、可扩展性更好的软件系统。 本书全面介绍了计算机系统的基础知识，包括晶体管、逻辑门、时序逻辑和指令操作。你将了解现代处理器体系结构以及包括x86、x64、ARM和RISC-V在内的指令集，还会看到如何在低成本的FPGA板上实现RISC-V处理器，以及如何编写量子计算程序并在实际的量子计算机上运行。读完本书，你将深入理解现代处理器和计算机体系结构，并了解其未来的发展方向。 学完本书，你将能够： ? 掌握晶体管技术和数字电路原理。 ? 理解计算机处理器的基本功能单元。 ? 理解流水线和超标量执行。 ? 学会使用浮点数据格式。 ? 理解管理员模式的目的和操作。 ? 在低成本的FPGA板上实现完整的RISC-V处理器。 ? 了解虚拟机实现的相关技术。 ? 编写量子计算程序并在量子计算机上运行。

本书对现代计算设备进行了介绍，包括其中可能出现的重要技术和子系统，并阐释了设备与其他系统组件之间的关系。全书分为三部分。第一部分介绍计算机体系结构基础知识，包括计算机体系结构的基本概念、数字逻辑、处理器要素、计算机系统组件、硬件-软件接口、专用计算领域。第二部分介绍处理器体系结构及指令集，涉及处理器和存储器体系结构、性能提升技术、专用处理器扩展、现代处理器体系结构及指令集、RISC-V体系结构及指令集。第三部分介绍计算机体系结构的应用，包括处理器虚拟化、领域专用计算机体系结构、计算机体系结构的未来发展方向。本书适用于软件开发人员、计算机专业学生、系统设计师、计算机科学家、逆向工程师，以及所有希望理解现代计算机系统（从微型嵌入式设备到智能手机，再到仓储规模的云服务器群等）的体系结构和设计原则的人。

前言
第一部分计算机体系结构基础知识
第1章计算机体系结构简介2
1.1自动化计算设备的演进2
1.1.1巴贝奇分析机2
1.1.2ENIAC3
1.1.3IBMPC4
1.1.4iPhone6
1.2摩尔定律7
1.3计算机体系结构9
1.3.1二进制数和十六进制数9
1.3.26502微处理器12
1.3.36502指令集13
1.4总结15
1.5习题15
第2章数字逻辑17
2.1电路17
2.2晶体管18
2.3逻辑门19
2.4锁存器21
2.5触发器23
2.6寄存器24
2.7加法器25
2.8时钟27
2.9时序逻辑28
2.10硬件描述语言28
2.11总结32
2.12习题32
第3章处理器要素33
3.1一个简单的处理器33
3.1.1控制单元34
3.1.2算术逻辑单元36
3.1.3寄存器39
3.2指令集40
3.3寻址方式40
3.3.1立即寻址方式41
3.3.2绝对寻址方式41
3.3.3绝对索引寻址方式42
3.3.4间接索引寻址方式43
3.4指令类型44
3.4.1内存加载指令和存储指令44
3.4.2寄存器到寄存器的数据传送指令45
3.4.3堆栈指令45
3.4.4算术运算指令45
3.4.5逻辑运算指令46
3.4.6分支指令46
3.4.7子程序调用和返回指令46
3.4.8处理器标志指令47
3.4.9中断相关的指令47
3.4.10空操作指令47
3.5中断处理47
3.5.1IRQ处理47
3.5.2NMI处理48
3.5.3BRK指令处理49
3.6输入/输出操作50
3.6.1程序查询I/O51
3.6.2中断驱动I/O51
3.6.3直接存储器访问51
3.7总结52
3.8习题52
第4章计算机系统组件54
4.1技术要求54
4.2内存子系统54
4.3MOSFET简介55
4.4用MOSFET构建DRAM电路56
4.4.1电容器56
4.4.2DRAM位单元57
4.4.3DDR4SDRAM58
4.4.4GDDR60
4.4.5预取60
4.5I/O子系统61
4.5.1串行数据总线和并行数据总线61
4.5.2PCIExpress62
4.5.3SATA63
4.5.4M.264
4.5.5USB64
4.5.6Thunderbolt64
4.6图形显示65
4.6.1VGA65
4.6.2DVI66
4.6.3HDMI66
4.6.4DisplayPort66
4.7网络接口67
4.7.1以太网67
4.7.2Wi-Fi67
4.8键盘和鼠标68
4.8.1键盘68
4.8.2鼠标69
4.9现代计算机系统规范69
4.10总结70
4.11习题70
第5章硬件-软件接口71
5.1设备驱动程序71
5.1.1并行端口72
5.1.2PCIe设备驱动程序73
5.1.3设备驱动程序结构74
5.2BIOS75
5.3引导过程77
5.3.1BIOS引导77
5.3.2UEFI引导77
5.3.3嵌入式设备78
5.4操作系统78
5.5进程和线程80
5.6多处理84
5.7总结84
5.8习题85
第6章专用计算领域86
6.1实时计算86
6.2数字信号处理89
6.2.1模数转换器和数模转换器89
6.2.2DSP硬件特性91
6.2.3信号处理算法92
6.3GPU处理95
6.4专用体系结构示例98
6.5总结99
6.6习题99
第二部分处理器体系结构和指令集
第7章处理器和存储器体系结构102
7.1技术要求102
7.2冯·诺依曼体系结构、哈佛体系结构、改进型哈佛体系结构102
7.2.1冯·诺依曼体系结构102
7.2.2哈佛体系结构104
7.2.3改进型哈佛体系结构104
7.3物理内存和虚拟内存105
7.4分页虚拟内存107
7.4.1页面状态位109
7.4.2内存池110
7.5内存管理单元111
7.6总结113
7.7习题113
第8章性能提升技术114
8.1高速缓存114
8.1.1多级处理器缓存115
8.1.2静态RAM116
8.1.3一级缓存117
8.1.4直接映射缓存117
8.1.5组相联映射缓存119
8.1.6全相联映射缓存120
8.1.7处理器缓存写策略121
8.1.8二级缓存和三级缓存122
8.2指令流水线123
8.2.1超流水线125
8.2.2流水线冒险125
8.2.3微操作和寄存器重命名126
8.2.4条件分支127
8.3同时多线程128
8.4SIMD处理129
8.5总结129
8.6习题130
第9章专用处理器扩展131
9.1技术要求131
9.2处理器的特权模式131
9.2.1中断和异常处理131
9.2.2保护环133
9.2.3监控模式和用户模式135
9.2.4系统调用135
9.3浮点数运算136
9.3.18087浮点协处理器137
9.3.2IEEE754浮点数标准138
9.4功耗管理139
9.5系统安全管理140
9.6总结142
9.7习题142
第10章现代处理器体系结构与指令集143
10.1技术要求143
10.2x86体系结构与指令集143
10.2.1x86寄存器集145
10.2.2x86寻址方式147
10.2.3x86指令类别149
10.2.4x86指令格式152
10.2.5x86汇编语言153
10.3x64体系结构与指令集155
10.3.1x64寄存器集156
10.3.2x64指令类别和格式156
10.3.3x64汇编语言157
10.432位ARM体系结构与指令集158
10.4.1ARM寄存器集160
10.4.2ARM寻址方式161
10.4.3ARM指令类别162
10.4.4ARM汇编语言164
10.564位ARM体系结构与指令集166
10.6总结168
10.7习题169
第11章RISC-V体系结构与指令集171
11.1技术要求171
11.2RISC-V体系结构与功能171
11.3RISC-V基础指令集173
11.3.1计算指令173
11.3.2控制流指令174
11.3.3访存指令174
11.3.4系统指令175
……