計算機系統基礎與實踐（微課版）

《計算機系統基礎與實踐（微課版）》是2023年清華大學出版社出版的圖書，作者是申兆岩、賈智平、王毅。

基本介紹

• 中文名：計算機系統基礎與實踐（微課版）
• 作者：申兆岩、賈智平、王毅
• 出版時間：2023年5月1日
• 出版社：清華大學出版社
• ISBN：9787302628477 
• 定價：69 元

內容簡介

本書從系統的角度出發，結合龍芯處理器及Loongnix系統的相關實例，從軟體和硬體兩個方面對計算機系統進行由硬到軟、自底向上的介紹，目的是幫助讀者掌握完整的計算機系統層次結構，了解計算機相關技術概念，掌握計算機系統的相關知識。 本書分為基礎部分與實踐部分。基礎部分主要介紹了計算機系統相關的基本概念、組合電路與時序電路、處理器體系結構、程式的載入與運行、數據的機器級表示和運算、層次化結構存儲、異常控制流；實踐部分則主要介紹了龍芯實驗平台的軟硬體環境、檔案讀寫及加解密實驗、二進制炸彈拆除實驗、簡單的計算機模擬器實驗與LoongArch五級流水線模擬器中的Cache實驗。

圖書目錄

目錄

第1章計算機系統概述1

1.1計算機系統的定義和類別1

1.1.1計算機系統的定義1

1.1.2計算機系統的類別5

1.2計算機系統中的抽象層次7

1.2.1計算機系統層次結構7

1.2.2計算機系統的不同用戶9

1.2.3馮·諾依曼架構11

1.2.4程式的編譯及執行過程14

1.3計算機性能16

1.3.1性能的指標和度量16

1.3.2CPU性能17

1.3.3指令性能18

1.3.4實例: 處理器性能評測21

小結22

習題23

第2章組合電路與時序電路25

2.1組合電路25

2.1.1真值表26

2.1.2布爾代數26

2.1.3邏輯圖27

2.1.4組合電路分析28

2.2時序電路31

2.2.1SR鎖存器32

2.2.2觸發器的觸發方式34

2.2.3觸發器的邏輯功能37

2.3計算機子系統40

2.3.1CPU子系統40

2.3.2匯流排45

2.3.3記憶體子系統47

小結49

習題49

第3章處理器體系結構52

3.1指令集體系結構52

3.1.1精簡指令集與複雜指令集52

3.1.2二進制翻譯55

3.2LoongArch指令系統概述57

3.2.1LoongArch指令的編碼與彙編助記格式57

3.2.2LoongArch的暫存器組59

3.2.3LoongArch的定址方式62

3.3LoongArch32指令集65

3.3.1數據處理指令65

3.3.2轉移指令74

3.3.3訪存指令76

3.3.4柵障指令79

3.3.5浮點處理指令80

3.3.6特權指令81

3.3.7其他雜項指令87

3.4彙編語言源程式格式88

3.4.1彙編語言程式的結構89

3.4.2彙編語言的行構成91

3.4.3偽指令92

3.4.4宏指令95

3.5彙編語言機器級表示97

3.5.1過程調用的機器級表示97

3.5.2選擇語句的機器級表示100

3.5.3循環結構的機器級表示104

小結108

習題109

第4章程式的載入與運行111

4.1可執行目標檔案的生成111

4.1.1編譯112

4.1.2彙編113

4.1.3連結115

4.2可執行目標檔案的運行117

4.2.1載入118

4.2.2程式執行過程121

4.2.3指令執行介紹123

4.3流水線技術125

4.3.1流水線方式126

4.3.2指令流水線127

4.3.3流水線存在的問題129

4.3.4流水線與異常處理133

4.3.5流水線最佳化技術133

小結139

習題140

第5章數據的機器級表示和運算142

5.1數據類型及編碼方式概述142

5.1.1數值數據及其編碼方式143

5.1.2非數值數據及其編碼方式144

5.1.3進位記數制146

5.2整數的表示150

5.2.1無符號數編碼150

5.2.2有符號數編碼150

5.3整數運算154

5.3.1移位運算154

5.3.2加減法運算155

5.3.3乘法運算157

5.3.4除法運算166

5.4浮點數表示與運算170

5.4.1浮點表示法170

5.4.2浮點數計算173

小結174

習題175

第6章層次化結構存儲176

6.1存儲技術176

6.1.1存儲器176

6.1.2存儲技術發展趨勢178

6.2局部性原理與層次化存儲結構180

6.2.1局部性180

6.2.2存儲器層次結構182

6.3高速緩衝存儲器183

6.3.1Cache的基本工作原理183

6.3.2Cache主存地址映射184

6.3.3Cache替換策略191

6.3.4Cache寫策略192

6.3.5Cache存儲器的性能分析194

6.3.6Cache與程式性能197

6.4虛擬存儲器200

6.4.1虛擬存儲器概述200

6.4.2頁式存儲管理202

6.4.3段式虛擬存儲管理209

6.4.4段頁式存儲管理211

6.5外部存儲器214

6.5.1磁碟存儲器214

6.5.2快閃記憶體存儲器218

6.5.3新型非易失性存儲器222

6.6I/O系統225

6.6.1I/O系統的定義與組成225

6.6.2I/O軟硬體層次結構227

6.6.3Linux中的I/O棧239

小結241

習題243

第7章異常控制流246

7.1進程246

7.1.1進程的概念247

7.1.2進程的邏輯控制流248

7.1.3進程的私有地址空間249

7.1.4進程的上下文切換251

7.1.5進程的控制252

7.2異常和中斷的概念254

7.2.1基本概念254

7.2.2異常255

7.2.3中斷259

7.3異常和中斷的回響過程261

7.4LoongArch指令系統中的異常和中斷264

7.4.1相關控制狀態暫存器264

7.4.2異常的處理267

7.4.3中斷的處理269

小結270

習題271

第8章實踐部分273

8.1龍芯平台初探273

8.1.1實驗背景273

8.1.2實驗目的273

8.1.3實驗要求273

8.1.4實驗步驟273

8.2檔案讀寫及加解密278

8.2.1實驗背景278

8.2.2實驗目的279

8.2.3實驗要求279

8.2.4實驗步驟279

8.3二進制炸彈拆除281

8.3.1實驗背景281

8.3.2實驗目的282

8.3.3實驗要求282

8.3.4實驗步驟282

8.4簡單的計算機模擬器286

8.4.1實驗背景286

8.4.2實驗目的287

8.4.3實驗要求287

8.4.4實驗步驟287

8.5設計LoongArch五級流水線模擬器中的Cache306

8.5.1實驗背景306

8.5.2實驗目的307

8.5.3實驗要求307

8.5.4實驗步驟309

參考文獻327