计算机体系结构基础（第3版）

　　本书作者皆为国内从事微处理器设计的一线科研人员，针对我国“计算机体系结构”课程本土化教材欠缺的现状，计划出版一套分别面向本科、硕士、博士教育的“计算机体系结构”教材，目的是建设完整的课程体系，由浅入深地培养“造计算机”的人才。第3版对教材内容做了修订和完善，在讲解指令系统实例时，更新为使用LoongArch指令系统，并且进一步强调计算机软硬件协同方面的内容。本书特色 系统性。计算机系统结构研究的是“系统”而非“结构”，既要上知应用程序、编译程序和操作系统等“天文”知识，还要下知逻辑、电路和集成电路工艺等“地理”知识，把体系结构、基础软件、电路和器件融会贯通，才能做好体系结构设计。 基础性。计算机体系结构千变万化，但几十年发展下来，沉淀下来的原理性的东西不多，作者对计算机体系结构技术进行了仔细的鉴别、分析、选择，仅将一些内在的、本质的东西写入教材。 实践性。计算机体系结构是实践性很强的学科，作者强调要设计在“硅”上实现而非“纸”上实现的体系结构。

　　胡伟武　1991年毕业于中国科学技术大学计算机系，随后免试进入中科院计算所直接攻读博士学位，师从著名计算机专家夏培肃院士，1996年3月博士毕业并获工学博士学位。现任中国科学院计算技术研究所研究员、博士生导师，龙芯中科技术股份有限公司董事长、龙芯CPU首席科学家。全国青联委员，第十一届全国人大代表，党的十八大、十九大代表。主要研究方向为计算机系统结构和微处理器设计，作为总设计师成功研制多款国产龙芯高性能通用CPU。主持国家自然科学基金、国家863高技术研究、国家“核高基”科技重大专项、中国科学院知识创新工程等项目10余项。出版专著3部，在国内外期刊和会议上发表论文70多篇，申请专利62件。曾先后获“中科院科技进步二等奖”“中科院院长奖学金特别奖”“全国首届优秀博士论文奖”“中国科学院第五届优秀青年”“中国科学院第七届杰出青年”“全国青年五四奖章”等奖励。

目　　录
丛书序言
推荐序
第3版自序
第2版自序
前言
第一部分　引言
第1章　引言2
　1.1　计算机体系结构的研究内容2
　　　1.1.1　一以贯之2
　　　1.1.2　什么是计算机5
　　　1.1.3　计算机的基本组成6
　1.2　衡量计算机的指标9
　　　1.2.1　计算机的性能9
　　　1.2.2　计算机的价格11
　　　1.2.3　计算机的功耗12
　1.3　计算机体系结构的发展13
　　　1.3.1　摩尔定律和工艺的发展15
　　　1.3.2　计算机应用和体系结构19
　　　1.3.3　计算机体系结构发展20
　1.4　体系结构设计的基本原则22
　　　1.4.1　平衡性22
　　　1.4.2　局部性24
　　　1.4.3　并行性24
　　　1.4.4　虚拟化25
　1.5　本章小结26
　习题26
第二部分　指令系统结构
第2章　指令系统30
　2.1　指令系统简介30
　2.2　指令系统设计原则30
　2.3　指令系统发展历程32
　　　2.3.1　指令内容的演变32
　　　2.3.2　存储管理的演变34
　　　2.3.3　运行级别的演变36
　2.4　指令系统组成37
　　　2.4.1　地址空间37
　　　2.4.2　操作数39
　　　2.4.3　指令操作和编码41
　2.5　RISC指令集比较43
　　　2.5.1　指令格式比较43
　　　2.5.2　寻址方式比较44
　　　2.5.3　公共指令功能44
　　　2.5.4　不同指令系统的特色46
　2.6　C语言的机器表示47
　　　2.6.1　过程调用48
　　　2.6.2　流程控制语句49
　2.7　本章小结52
　习题52
第3章　特权指令系统53
　3.1　特权指令系统简介53
　3.2　异常与中断56
　　　3.2.1　异常分类56
　　　3.2.2　异常处理58
　　　3.2.3　中断60
　3.3　存储管理62
　　　3.3.1　存储管理的原理63
　　　3.3.2　TLB的结构和使用64
　　　3.3.3　TLB地址翻译相关异常的处理70
　3.4　本章小结73
　习题74
第4章　软硬件协同75
　4.1　应用程序二进制接口75
　　　4.1.1　寄存器约定76
　　　4.1.2　函数调用约定78
　　　4.1.3　进程虚拟地址空间82
　　　4.1.4　栈帧布局84
　4.2　六种常见的上下文切换场景87
　　　4.2.1　函数调用87
　　　4.2.2　异常和中断88
　　　4.2.3　系统调用89
　　　4.2.4　进程91
　　　4.2.5　线程92
　　　4.2.6　虚拟机93
　　　4.2.7　六种上下文切换场景的对比94
　4.3　同步机制94
　　　4.3.1　基于互斥的同步机制95
　　　4.3.2　非阻塞的同步机制96
　4.4　本章小结97
　习题97
第三部分　计算机硬件结构
第5章　计算机组成原理和结构100
　5.1　冯·诺依曼结构100
　5.2　计算机的组成部件101
　　　5.2.1　运算器101
　　　5.2.2　控制器103
　　　5.2.3　存储器105
　　　5.2.4　输入/输出设备110
　5.3　计算机系统硬件结构发展113
　　　5.3.1　CPU-GPU-北桥-南桥四片结构113
　　　5.3.2　CPU-北桥-南桥三片结构114
　　　5.3.3　CPU-弱北桥-南桥三片结构114
　　　5.3.4　CPU-南桥两片结构115
　　　5.3.5　SoC单片结构116
　5.4　处理器和IO设备间的通信116
　　　5.4.1　IO寄存器寻址117
　　　5.4.2　处理器和IO设备之间的同步117
　　　5.4.3　存储器和IO设备之间的数据传送119
　　　5.4.4　龙芯3A3000+7A1000桥片系统中的CPU、GPU、DC通信120
　5.5　本章小结122
　习题122
第6章　计算机总线接口技术124
　6.1　总线概述125
　6.2　总线分类125
　6.3　片上总线126
　6.4　内存总线132
　6.5　系统总线139
　　　6.5.1　HyperTransport总线140
　　　6.5.2　HT包格式143
　6.6　设备总线145
　　　6.6.1　PCIE总线145
　　　6.6.2　PCIE包格式146
　6.7　本章小结147
　习题148
第7章　计算机系统启动过程分析149
　7.1　处理器核初始化149
　　　7.1.1　处理器复位150
　　　7.1.2　调试接口初始化152
　　　7.1.3　TLB初始化156
　　　7.1.4　Cache初始化157
　7.2　总线接口初始化160
　　　7.2.1　内存初始化160
　　　7.2.2　IO总线初始化161
　7.3　设备的探测及驱动加载162
　7.4　多核启动过程167
　　　7.4.1　初始化时的多核协同167
　　　7.4.2　操作系统启动时的多核唤醒168
　　　7.4.3　核间同步与通信169
　7.5　本章小结170
　习题170
第四部分　CPU微结构
第8章　运算器设计172
　8.1　二进制与逻辑电路172
　　　8.1.1　计算机中数的表示172
　　　8.1.2　MOS晶体管工作原理178
　　　8.1.3　CMOS逻辑电路180
　8.2　简单运算器设计188
　　　8.2.1　定点补码加法器188
　　　8.2.2　减法运算实现193
　　　8.2.3　比较运算实现194
　　　8.2.4　移位器194
　8.3　定点补码乘法器195
　　　8.3.1　补码乘法器196
　　　8.3.2　Booth乘法器198
　　　8.3.3　华莱士树202
　8.4　本章小结206
　习题206
第9章　指令流水线208
　9.1　单周期处理器208
　9.2　流水线处理器210
　9.3　指令相关和流水线冲突213
　　　9.3.1　数据相关引发的冲突及解决办法214
　　　9.3.2　控制相关引发的冲突及解决办法216
　　　9.3.3　结构相关引发的冲突及解决办法219
　9.4　流水线与异常处理219
　9.5　提高流水线效率的技术220
　　　9.5.1　多发射数据通路220
　　　9.5.2　动态调度221
　　　9.5.3　转移预测225
　　　9.5.4　高速缓存229
　9.6　本章小结231
　习题232
第五部分　并行处理结构
第10章　并行编程基础236
　10.1　程序的并行行为236
　　　　10.1.1　指令级并行性236
　　　　10.1.2　数据级并行性237
　　　　10.1.3　任务级并行性237
　10.2　并行编程模型238
　　　　10.2.1　单任务数据并行模型…238
　　　　10.2.2　多任务共享存储编程模型238
　　　　10.2.3　多任务消息传递编程模型239
　　　　10.2.4　共享存储与消息传递编程模型的编程复杂度239
　10.3　典型并行编程环境242
　　　　10.3.1　数据并行SIMD编程242
　　　　10.3.2　POSIX编程标准244
　　　　10.3.3　OpenMP标准247
　　　　10.3.4　MPI消息传递编程接口253
　10.4　本章小结259
　习题259
第11章　多核处理结构260
　11.1　多核处理器的发展演化260
　11.2　多核处理器的访存结构263
　　　　11.2.1　通用多核处理器的片上Cache结构263
　　　　11.2.2　存储一致性模型265
　　　　11.2.3　Cache一致性协议267
　11.3　多核处理器的互连结构272
　11.4　多核处理器的同步机制278
　11.5　典型多核处理器282
　　　　11.5.1　龙芯3A5000处理器282
　　　　11.5.2　Intel SandyBridge架构…284
　　　　11.5.3　IBM Cell处理器286
　　　　11.5.4　NVIDIA GPU287
　　　　11.5.5　Tile64处理器289
　11.6　本章小结289
　习题291
第六部分　系统评价与性能分析
第12章　计算机系统评价和性能分析294
　12.1　计算机系统性能评价指标294
　　　　12.1.1　计算机系统常用性能评价指标295
　　　　12.1.2　并行系统的性能评价指标299
　12.2　测试程序集300
　　　　12.2.1　微基准测试程序301
　　　　12.2.2　SPEC CPU基准测试程序310
　　　　12.2.3　并行系统基准测试程序316
　　　　12.2.4　其他常见的基准测试程序集319
　12.3　性能分析方法320
　　　　12.3.1　分析建模的方法322
　　　　12.3.2　模拟建模的方法和模拟器322
　　　　12.3.3　性能测量的方法325
　12.4　性能测试和分析实例334
　　　　12.4.1　SPEC CPU基准测试程序的分值对比335
　　　　12.4.2　微结构相关统计数据338
　　　　12.4.3　基础性能参数344
　12.5　本章小结348
　习题348
总结：什么是计算机体系结构350
参考文献359