计算机体系结构

本书介绍了理解计算机的操作系统所需掌握的概念。本书基于以下几个方面编写。
（1）计算机的组件以电子方式工作的细节超出了本书的范围。
（2）本书重点放在概念上，关注的是机器的体系结构的构件、它们的功能以及它们的交互。
（3）本书在任何必要的地方强调了软件与硬件资源之间必不可少的联系。

第1部分基本体系结构的元素
第1章简介3
1.1历史背景3
1.1.1自动化和机械计算器3
1.1.2从外部程序到存储程序5
1.1.3各代计算机简介7
1.2内部操作简介10
1.2.1与机器通信10
1.2.2执行指令11
1.3未来展望12
第2章基本模块14
2.1存储器14
2.1.1定义14
2.1.2几个技术元件15
2.2处理器16
2.2.1功能单元16
2.2.2处理器的寄存器17
2.2.3处理单元的元素20
2.2.4控制器的元件21
2.2.5地址计算单元22
2.3模块之间的通信22
2.3.1PCI总线23
第3章信息的表示25
3.1复习25
3.1.1以2为基数25
3.1.2二进制、八进制和十六进制表示26
3.2数字表示约定27
3.2.1整数27
3.2.2实数28
3.2.3浮点表示的一个示例——IEEE-754标准31
3.2.4动态范围与精度33
3.2.5实现33
3.2.6IEEE-754标准的扩展34
3.3字符表示34
3.3.18位表示34
3.3.2现代表示36
3.4练习37
第2部分编程模型和操作
第4章指令41
4.1编程模型41
4.1.1I8086的寄存器41
4.1.2地址构造和寻址模式42
4.2指令集44
4.2.1移动指令44
4.2.2算术和逻辑指令45
4.2.3移位指令45
4.2.4转移46
4.2.5其他指令48
4.3编程示例49
4.4从汇编语言到基本指令51
4.4.1汇编器51
4.4.2汇编阶段52
4.4.3连接器53
4.4.4何时利用汇编语言编程54
第5章处理器55
5.1控制总线55
5.1.1复位线路56
5.1.2保持线路56
5.1.3等待控制线路56
5.1.4中断线路57
5.1.5概念图57
5.2指令的执行：一个示例57
5.2.1指令的执行59
5.2.2时序图62
5.3定序器的构成63
5.3.1传统的合成方法63
5.3.2微编程65
5.4扩展65
5.4.1协处理器65
5.4.2矢量扩展67
5.4.3DSP和GPU71
5.5练习72
第6章输入和输出74
6.1示例75
6.1.1示例：控制热电偶75
6.1.2示例：串行终端连接79
6.2交换器的设计和寻址81
6.2.1交换器的设计81
6.2.2交换器寻址82
6.3交换模式83
6.3.1轮询交换模式83
6.3.2直接存储器存取84
6.3.3中断88
6.4处理中断88
6.4.1工作原理88
6.4.2示例90
6.4.3软件中断91
6.4.4屏蔽与取消屏蔽中断91
6.4.5中断优先级或级别92
6.4.6类似的机制92
6.5练习93
第3部分存储器层次结构
第7章存储器97
7.1存储器资源97
7.2特征97
7.3存储器层次结构98
7.3.1局部性原理99
7.3.2层次结构的组织和管理99
7.3.3定义和性能100
7.4存储器大小和保护机制100
7.5分段101
7.5.1使用段寄存器：一个示例101
7.5.2使用段描述符102
7.6分页103
7.7存储器交叉存取和突发模式105
7.7.1C存取105
7.7.2S存取105
7.7.3突发模式106
7.7.4预取缓冲区107
7.8保护，I386的示例108
第8章缓存109
8.1高速缓冲存储器109
8.1.1操作原理和体系结构109
8.1.2高速缓冲存储器的操作109
8.1.3缓存设计111
8.2替换算法114
8.2.1LRU方法114
8.2.2多级缓存的情况118
8.2.3性能和模拟119
第9章虚拟存储器122
9.1一般概念122
9.1.1操作122
9.1.2存取信息123
9.1.3地址翻译123
9.2存取方法的规则124
9.2.1页错误124
9.2.2多级分页125
9.2.3服务信息、保护和访问权限125
9.2.4页大小126
9.3程序执行的示例127
9.3.1引入翻译缓存128
9.3.2执行129
9.3.3备注131
9.4二级分页的示例132
9.4.1管理132
9.4.2处理服务位132
9.4.3信息访问中的步骤134
9.5页式分段136
9.5.136位扩展138
9.6练习138
9.7文档摘录139
9.7.1MMU简介139
9.7.2TLB的描述140
9.7.3TLB特性142
第4部分并行性和性能增强
第10章流水线体系结构147
10.1动机和思想147
10.1.1RISC机器147
10.1.2操作原理148
10.1.3流水线体系结构的代价150
10.2流水线管理问题150
10.2.1结构风险150
10.2.2依赖冲突153
10.2.3转移154
10.3处理转移155
10.3.1延迟的转移和软件处理155
10.3.2转移预测157
10.3.3转移目标缓冲区160
10.3.4全局预测161
10.3.5示例163
10.4中断和异常166
10.4.1中断166
10.4.2陷阱和错误167
第11章体系结构的示例168
11.1简介168
11.1.1流水线描述168
11.1.2指令集170
11.1.3指令格式171
11.2执行指令172
11.2.1读取和解码指令172
11.2.2存储器读取172
11.2.3存储器写操作174
11.2.4寄存器到寄存器的操作174
11.2.5条件转移176
11.2.6具有立即寻址的指令179
11.3DLX中的冲突解决179
11.3.1转发技术179
11.3.2处理转移182
11.4练习185
第12章多处理器环境中的缓存190
12.1缓存一致性191
12.1.1示例191
12.1.2要考虑的元素192
12.1.3一致性的定义192
12.1.4方法193
12.2嗅探协议的示例194
12.2.1MSI协议194
12.2.2MEI协议197
12.2.3MESI协议197
12.2.4MOESI协议199
12.3改进200
12.4基于目录的一致性协议200
12.5一致性203
12.5.1相容性与一致性203
12.5.2表示法203
12.5.3原子相容性204
12.5.4顺序相容性204
12.5.5因果相容性205
12.5.6弱相容性206
12.6练习207
第13章超标量体系结构210
13.1超标量体系结构的原理210
13.1.1风险211
13.2寻求解决方案212
13.2.1原理212
13.2.2示例214
13.3处理指令流215
13.3.1记分牌的原理215
13.3.2记分牌实现216
13.3.3详细的示例217
13.3.4关于优先级约束的注释221
13.3.5Tomasulo算法的原理222
13.3.6详细的示例224
13.3.7循环执行和WAW风险229
13.4VLIW体系结构231
13.4.1超标量体系结构的局限性231
13.4.2VLIW体系结构概述232
13.4.3预测233
13.5练习235
第5部分附录
附录A提示和解决方案241
A.1信息的表示241
A.2处理器244
A.3输入和输出245
A.4虚拟存储器246
A.5流水线体系结构247
A.6多处理器环境中的缓存253
A.7超标量体系结构256
附录B编程模型258
B.1I8086中的指令编码258
B.2DLX体系结构的指令集259
B.2.1浮点数上的操作259
B.2.2移动操作259
B.2.3算术和逻辑运算260
B.2.4转移260
参考文献262