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计算机体系结构基础(第3版)电子书

采用龙芯团队推出的LoongArch指令系统,全面展现指令系统设计的发展趋势 从硬件工程师的角度理解软件,从软件工程师的角度理解硬件 优化篇章结构与教学体验,全书源且配有丰富的教学资源 

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作       者:胡伟武

出  版  社:机械工业出版社

出版时间:2021-09-01

字       数:29.3万

所属分类: 科技 > 计算机/网络 > 程序设计

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本书由国内从事微处理器设计的一线科研人员编写而成。作者从微处理器设计的角度出发,充分考虑计算机体系结构的学科完整性,强调体系结构、基础软件、电路和器件的融会贯通。全书共分12章,包括指令系统结构、计算机硬件结构、CPU微结构、并行处理结构、计算机性能分析等主要内容,重放在作为软硬件界面的指令系统结构,以及包含CPU、GPU、南北桥协同的计算机硬件结构上。 本书可作为高等院校“计算机体系结构”课程的本科生教材,同时也适合相关专业研究生或计算机技术人员参考阅读。 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行了仔细的鉴别、分析、选择,仅将一些内在的、本质的东西写教材。 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。<br/>【推荐语】<br/>采用龙芯团队推出的LoongArch指令系统,全面展现指令系统设计的发展趋势 从硬件工程师的角度理解软件,从软件工程师的角度理解硬件 优化篇章结构与教学体验,全书源且配有丰富的教学资源 <br/>【作者】<br/>胡伟武 1991年毕业于中国科学技术大学计算机系,随后免试中科院计算所直攻读博士学位,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。 <br/>
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作者简介

编委会名单

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

1.1 计算机体系结构的研究内容

1.1.1 一以贯之

1.1.2 什么是计算机

1.1.3 计算机的基本组成

1.2 衡量计算机的指标

1.2.1 计算机的性能

1.2.2 计算机的价格

1.2.3 计算机的功耗

1.3 计算机体系结构的发展

1.3.1 摩尔定律和工艺的发展

1.3.2 计算机应用和体系结构

1.3.3 计算机体系结构发展

1.4 体系结构设计的基本原则

1.4.1 平衡性

1.4.2 局部性

1.4.3 并行性

1.4.4 虚拟化

1.5 本章小结

习题

第二部分 指令系统结构

第2章 指令系统

2.1 指令系统简介

2.2 指令系统设计原则

2.3 指令系统发展历程

2.3.1 指令内容的演变

2.3.2 存储管理的演变

2.3.3 运行级别的演变

2.4 指令系统组成

2.4.1 地址空间

2.4.2 操作数

2.4.3 指令操作和编码

2.5 RISC指令集比较

2.5.1 指令格式比较

2.5.2 寻址方式比较

2.5.3 公共指令功能

2.5.4 不同指令系统的特色

2.6 C语言的机器表示

2.6.1 过程调用

2.6.2 流程控制语句

2.7 本章小结

习题

第3章 特权指令系统

3.1 特权指令系统简介

3.2 异常与中断

3.2.1 异常分类

3.2.2 异常处理

3.2.3 中断

3.3 存储管理

3.3.1 存储管理的原理

3.3.2 TLB的结构和使用

3.3.3 TLB地址翻译相关异常的处理

3.4 本章小结

习题

第4章 软硬件协同

4.1 应用程序二进制接口

4.1.1 寄存器约定

4.1.2 函数调用约定

4.1.3 进程虚拟地址空间

4.1.4 栈帧布局

4.2 六种常见的上下文切换场景

4.2.1 函数调用

4.2.2 异常和中断

4.2.3 系统调用

4.2.4 进程

4.2.5 线程

4.2.6 虚拟机

4.2.7 六种上下文切换场景的对比

4.3 同步机制

4.3.1 基于互斥的同步机制

4.3.2 非阻塞的同步机制

4.4 本章小结

习题

第三部分 计算机硬件结构

第5章 计算机组成原理和结构

5.1 冯·诺依曼结构

5.2 计算机的组成部件

5.2.1 运算器

5.2.2 控制器

5.2.3 存储器

5.2.4 输入/输出设备

5.3 计算机系统硬件结构发展

5.3.1 CPU-GPU-北桥-南桥四片结构

5.3.2 CPU-北桥-南桥三片结构

5.3.3 CPU-弱北桥-南桥三片结构

5.3.4 CPU-南桥两片结构

5.3.5 SoC单片结构

5.4 处理器和IO设备间的通信

5.4.1 IO寄存器寻址

5.4.2 处理器和IO设备之间的同步

5.4.3 存储器和IO设备之间的数据传送

5.4.4 龙芯3A3000+7A1000桥片系统中的CPU、GPU、DC通信

5.5 本章小结

习题

第6章 计算机总线接口技术

6.1 总线概述

6.2 总线分类

6.3 片上总线

6.4 内存总线

6.5 系统总线

6.5.1 HyperTransport总线

6.5.2 HT包格式

6.6 设备总线

6.6.1 PCIE总线

6.6.2 PCIE包格式

6.7 本章小结

习题

第7章 计算机系统启动过程分析

7.1 处理器核初始化

7.1.1 处理器复位

7.1.2 调试接口初始化

7.1.3 TLB初始化

7.1.4 Cache初始化

7.2 总线接口初始化

7.2.1 内存初始化

7.2.2 IO总线初始化

7.3 设备的探测及驱动加载

7.4 多核启动过程

7.4.1 初始化时的多核协同

7.4.2 操作系统启动时的多核唤醒

7.4.3 核间同步与通信

7.5 本章小结

习题

第四部分 CPU微结构

第8章 运算器设计

8.1 二进制与逻辑电路

8.1.1 计算机中数的表示

8.1.2 MOS晶体管工作原理

8.1.3 CMOS逻辑电路

8.2 简单运算器设计

8.2.1 定点补码加法器

8.2.2 减法运算实现

8.2.3 比较运算实现

8.2.4 移位器

8.3 定点补码乘法器

8.3.1 补码乘法器

8.3.2 Booth乘法器

8.3.3 华莱士树

8.4 本章小结

习题

第9章 指令流水线

9.1 单周期处理器

9.2 流水线处理器

9.3 指令相关和流水线冲突

9.3.1 数据相关引发的冲突及解决办法

9.3.2 控制相关引发的冲突及解决办法

9.3.3 结构相关引发的冲突及解决办法

9.4 流水线与异常处理

9.5 提高流水线效率的技术

9.5.1 多发射数据通路

9.5.2 动态调度

9.5.3 转移预测

9.5.4 高速缓存

9.6 本章小结

习题

第五部分 并行处理结构

第10章 并行编程基础

10.1 程序的并行行为

10.1.1 指令级并行性

10.1.2 数据级并行性

10.1.3 任务级并行性

10.2 并行编程模型

10.2.1 单任务数据并行模型

10.2.2 多任务共享存储编程模型

10.2.3 多任务消息传递编程模型

10.2.4 共享存储与消息传递编程模型的编程复杂度

10.3 典型并行编程环境

10.3.1 数据并行SIMD编程

10.3.2 POSIX编程标准

10.3.3 OpenMP标准

10.3.4 MPI消息传递编程接口

10.4 本章小结

习题

第11章 多核处理结构

11.1 多核处理器的发展演化

11.2 多核处理器的访存结构

11.2.1 通用多核处理器的片上Cache结构

11.2.2 存储一致性模型

11.2.3 Cache一致性协议

11.3 多核处理器的互连结构

11.4 多核处理器的同步机制

11.5 典型多核处理器

11.5.1 龙芯3A5000处理器

11.5.2 Intel SandyBridge架构

11.5.3 IBM Cell处理器

11.5.4 NVIDIA GPU

11.5.5 Tile64处理器

11.6 本章小结

习题

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

12.1 计算机系统性能评价指标

12.1.1 计算机系统常用性能评价指标

12.1.2 并行系统的性能评价指标

12.2 测试程序集

12.2.1 微基准测试程序

12.2.2 SPEC CPU基准测试程序

12.2.3 并行系统基准测试程序

12.2.4 其他常见的基准测试程序集

12.3 性能分析方法

12.3.1 分析建模的方法

12.3.2 模拟建模的方法和模拟器

12.3.3 性能测量的方法

12.4 性能测试和分析实例

12.4.1 SPEC CPU基准测试程序的分值对比

12.4.2 微结构相关统计数据

12.4.3 基础性能参数

12.5 本章小结

习题

总结:什么是计算机体系结构

参考文献

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