現代計算機組成與體系結構

《現代計算機組成與體系結構》是2022年機械工業出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：現代計算機組成與體系結構
• 出版時間：2022年3月1日
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111701088

內容簡介

本書對現代計算設備進行了介紹，包括其中可能出現的每一項重要技術和子系統，並闡釋其與其他系統部件之間的關係。全書分為三部分。第1部分介紹計算機體系結構基礎知識，包括計算機體系結構的基本概念、數字邏輯、處理器元件、計算機系統組件、硬體軟體接口、專用計算領域。第二部分介紹處理器體系結構和指令集，涉及處理器和存儲器體系結構、性能增強技術、專用處理器擴展、現代處理器體系結構和指令集、RISC-V體系結構和指令集。第三部分介紹計算機體系結構的套用，包括處理器虛擬化、具體的應用程式類別（包括移動設備、個人電腦、遊戲系統、網際網路搜尋引擎和神經網路）、計算機體系結構未來的方向。讀完本書，讀者將掌握目前在廣泛多樣的數字系統中所使用的計算機體系結構。

圖書目錄

前言

第一部分　計算機體系結構基礎知識

第1章　計算機體系結構簡介2

1.1　自動化計算設備的演進2

1.1.1　巴貝奇分析機2

1.1.2　ENIAC3

1.1.3　IBM PC4

1.1.4　iPhone6

1.2　摩爾定律7

1.3　計算機體系結構9

1.3.1　二進制數和十六進制數9

1.3.2　6502微處理器12

1.3.3　6502指令集13

1.4　總結15

1.5　習題15

第2章　數字邏輯17

2.1　電路17

2.2　電晶體18

2.3　邏輯門19

2.4　鎖存器21

2.5　觸發器23

2.6　暫存器24

2.7　加法器25

2.8　時鐘27

2.9　時序邏輯28

2.10　硬體描述語言28

2.11　總結32

2.12　習題32

第3章　處理器要素33

3.1　一個簡單的處理器33

3.1.1　控制單元34

3.1.2　算術邏輯單元36

3.1.3　暫存器 39

3.2　指令集40

3.3　定址方式40

3.3.1　立即定址方式41

3.3.2　絕對定址方式41

3.3.3　絕對索引定址方式42

3.3.4　間接索引定址方式43

3.4　指令類型44

3.4.1　記憶體載入指令和存儲指令 44

3.4.2　暫存器到暫存器的數據傳送指令45

3.4.3　堆疊指令45

3.4.4　算術運算指令45

3.4.5　邏輯運算指令46

3.4.6　分支指令46

3.4.7　子程式調用和返回指令46

3.4.8　處理器標誌指令47

3.4.9　中斷相關的指令47

3.4.10　空操作指令47

3.5　中斷處理47

3.5.1　IRQ處理47

3.5.2　NMI處理48

3.5.3　BRK指令處理49

3.6　輸入/輸出操作50

3.6.1　程式查詢I/O51

3.6.2　中斷驅動I/O51

3.6.3　直接存儲器訪問51

3.7　總結52

3.8　習題52

第4章　計算機系統組件54

4.1　技術要求54

4.2　記憶體子系統54

4.3　MOSFET簡介55

4.4　用MOSFET構建DRAM電路56

4.4.1　電容器56

4.4.2　DRAM位單元57

4.4.3　DDR4 SDRAM58

4.4.4　GDDR60

4.4.5　預取60

4.5　I/O子系統61

4.5.1　串列數據匯流排和並行數據匯流排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　圖形顯示65

4.6.1　VGA65

4.6.2　DVI66

4.6.3　HDMI66

4.6.4　DisplayPort66

4.7　網路接口67

4.7.1　乙太網67

4.7.2　Wi-Fi67

4.8　鍵盤和滑鼠68

4.8.1　鍵盤68

4.8.2　滑鼠69

4.9　現代計算機系統規範69

4.10　總結70

4.11　習題70

第5章　硬體-軟體接口71

5.1　設備驅動程式71

5.1.1　並行連線埠72

5.1.2　PCIe設備驅動程式73

5.1.3　設備驅動程式結構74

5.2　BIOS75

5.3　引導過程77

5.3.1　BIOS引導77

5.3.2　UEFI引導77

5.3.3　嵌入式設備 78

5.4　作業系統78

5.5　進程和執行緒80

5.6　多處理84

5.7　總結84

5.8　習題85

第6章　專用計算領域86

6.1　實時計算86

6.2　數位訊號處理89

6.2.1　模數轉換器和數模轉換器89

6.2.2　DSP硬體特性91

6.2.3　信號處理算法92

6.3　GPU處理95

6.4　專用體系結構示例98

6.5　總結99

6.6　習題99

第二部分　處理器體系結構和指令集

第7章　處理器和存儲器體系結構102

7.1　技術要求102

7.2　馮·諾依曼體系結構、哈佛體系結構、改進型哈佛體系結構102

7.2.1　馮·諾依曼體系結構102

7.2.2　哈佛體系結構104

7.2.3　改進型哈佛體系結構104

7.3　物理記憶體和虛擬記憶體105

7.4　分頁虛擬記憶體107

7.4.1　頁面狀態位109

7.4.2　記憶體池110

7.5　記憶體管理單元111

7.6　總結113

7.7　習題113

第8章　性能提升技術114

8.1　高速快取114

8.1.1　多級處理器快取115

8.1.2　靜態RAM116

8.1.3　一級快取117

8.1.4　直接映射快取117

8.1.5　組相聯映射快取119

8.1.6　全相聯映射快取120

8.1.7　處理器快取寫策略121

8.1.8　二級快取和三級快取122

8.2　指令流水線123

8.2.1　超流水線125

8.2.2　流水線冒險125

8.2.3　微操作和暫存器重命名126

8.2.4　條件分支127

8.3　同時多執行緒128

8.4　SIMD處理129

8.5　總結129

8.6　習題130

第9章　專用處理器擴展131

9.1　技術要求131

9.2　處理器的特權模式131

9.2.1　中斷和異常處理131

9.2.2　保護環133

9.2.3　監控模式和用戶模式135

9.2.4　系統調用135

9.3　浮點數運算136

9.3.1　8087浮點協處理器137

9.3.2　IEEE 754浮點數標準138

9.4　功耗管理139

9.5　系統安全管理140

9.6　總結142

9.7　習題142

第10章　現代處理器體系結構與指令集143

10.1　技術要求143

10.2　x86體系結構與指令集143

10.2.1　x86暫存器集145

10.2.2　x86定址方式147

10.2.3　x86指令類別149

10.2.4　x86指令格式152

10.2.5　x86彙編語言153

10.3　x64體系結構與指令集155

10.3.1　x64暫存器集156

10.3.2　x64指令類別和格式156

10.3.3　x64彙編語言157

10.4　32位ARM體系結構與指令集158

10.4.1　ARM暫存器集160

10.4.2　ARM定址方式161

10.4.3　ARM指令類別162

10.4.4　ARM彙編語言164

10.5　64位ARM體系結構與指令集166

10.6　總結168

10.7　習題169

第11章　RISC-V體系結構與指令集171

11.1　技術要求171

11.2　RISC-V體系結構與功能171

11.3　RISC-V基礎指令集173

11.3.1　計算指令173

11.3.2　控制流指令174

11.3.3　訪存指令174

11.3.4　系統指令175

……