现代计算机组成与体系结构

　　本书对现代计算设备进行了介绍，包括其中可能出现的每一项重要技术和子系统，并阐释其与其他系统部件之间的关系。全书分为三部分。第1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、处理器元件、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和指令集，涉及处理器和存储器体系结构、性能增强技术、专用处理器扩展、现代处理器体系结构和指令集、RISC-V体系结构和指令集。第三部分介绍计算机体系结构的应用，包括处理器虚拟化、具体的应用程序类别（包括移动设备、个人电脑、游戏系统、互联网搜索引擎和神经网络）、计算机体系结构未来的方向。读完本书，读者将掌握目前在广泛多样的数字系统中所使用的计算机体系结构。

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前言
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
1.1.2　ENIAC3
1.1.3　IBM PC4
1.1.4　iPhone6
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
1.3.2　6502微处理器12
1.3.3　6502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　寻址方式41
3.3.3　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
3.5.1　IRQ处理47
3.5.2　NMI处理48
3.5.3　BRK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
4.3　MOSFET简介55
4.4　用MOSFET构建DRAM电路56
4.4.1　电容器56
4.4.2　DRAM位单元57
4.4.3　DDR4 SDRAM58
4.4.4　GDDR60
4.4.5　预取60
4.5　I/O子系统61
4.5.1　串行数据总线和并行数据总线61
4.5.2　PCI Express62
4.5.3　SATA63
4.5.4　M.264
4.5.5　USB64
4.5.6　Thunderbolt64
4.6　图形显示65
4.6.1　VGA65
4.6.2　DVI66
4.6.3　HDMI66
4.6.4　DisplayPort66
4.7　网络接口67
4.7.1　以太网67
4.7.2　Wi-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
5.1.2　PCIe设备驱动程序73
5.1.3　设备驱动程序结构74
5.2　BIOS75
5.3　引导过程77
5.3.1　BIOS引导77
5.3.2　UEFI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
6.2.2　DSP硬件特性91
6.2.3　信号处理算法92
6.3　GPU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
8.4　SIMD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
9.3.1　8087浮点协处理器137
9.3.2　IEEE 754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
10.2　x86体系结构与指令集143
10.2.1　x86寄存器集145
10.2.2　x86寻址方式147
10.2.3　x86指令类别149
10.2.4　x86指令格式152
10.2.5　x86汇编语言153
10.3　x64体系结构与指令集155
10.3.1　x64寄存器集156
10.3.2　x64指令类别和格式156
10.3.3　x64汇编语言157
10.4　32位ARM体系结构与指令集158
10.4.1　ARM寄存器集160
10.4.2　ARM寻址方式161
10.4.3　ARM指令类别162
10.4.4　ARM汇编语言164
10.5　64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
11.2　RISC-V体系结构与功能171
11.3　RISC-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
11.