計算機系統：嵌入式方法

《計算機系統：嵌入式方法》是機械工業出版社於2020年出版的書籍

基本介紹

• 中文名：計算機系統：嵌入式方法
• 作者：施紅
• 出版社：機械工業出版社
• 出版時間：2020年
• 定價：139 元
• 開本：16 開
• ISBN：978711165722

圖書簡介

這是一本從嵌入式角度探索計算硬體和軟體原理的綜合教科書。本書將逐步揭示如何在現實世界中運用這些計算原理構建計算機系統，從小型嵌入式設備到倉庫大小的計算機集群，以及這些概念是如何通過網際網路在全球範圍內相互連線的。《計算機系統：嵌入式方法》首先會完整地講述主要的硬體組件——包括處理器、記憶體、存儲設備與性能加速器；接著又充分探討作業系統、連線以及網路。通過此書，您將了解計算機硬體和軟體是如何協同工作來支持無處不在的計算、物聯網、移動計算技術以及*小到*大的套用和程式。

圖書目錄

出版者的話

譯者序

前言

致謝

關於作譯者

第1章　引言1

　1.1　計算機的進化1

　1.2　進化過程1

　1.3　計算機發展階段劃分4

　　1.3.1　第一代計算機4

　　1.3.2　第二代計算機5

　　1.3.3　第三代計算機5

　　1.3.4　第四代計算機6

　　1.3.5　第五代計算機7

　1.4　雲、普適、格線和超並行計算機7

　1.5　未來8

　1.6　小結10

第2章　基礎知識11

　2.1　計算機組成11

　　2.1.1　Flynn分類法11

　　2.1.2　連線方式12

　　2.1.3　計算機結構層次視圖13

　2.2　計算機基本原理13

　2.3　數字格式16

　　2.3.1　無符號二進制16

　　2.3.2　原碼17

　　2.3.3　反碼17

　　2.3.4　補碼17

　　2.3.5　移碼18

　　2.3.6　BCD碼19

　　2.3.7　定點數表示法19

　　2.3.8　符號擴展20

　2.4　算術運算20

　　2.4.1　加法20

　　2.4.2　並行進位傳遞加法器20

　　2.4.3　超前進位22

　　2.4.4　減法22

　2.5　乘法24

　　2.5.1　加法疊代法24

　　2.5.2　部分積方法25

　　2.5.3　移位加方法27

　　2.5.4　Booth和Robertson方法27

　2.6　除法29

　2.7　定點數格式的運算30

　　2.7.1　定點數的運算31

　　2.7.2　定點數的乘除32

　2.8　浮點數32

　　2.8.1　廣義浮點數33

　　2.8.2　IEEE754浮點標準33

　　2.8.3　IEEE754標準模式34

　　2.8.4　IEEE754數的範圍36

　2.9　浮點數處理38

　　2.9.1　IEEE754數的加減運算39

　　2.9.2　IEEE754數的乘除運算41

　　2.9.3　IEEE754中間格式41

　　2.9.4　捨入42

　2.10　小結42

　思考題43

第3章　CPU基礎45

　3.1　什麼是計算機45

　3.2　讓計算機為你服務45

　　3.2.1　程式存儲46

　　3.2.2　存儲架構46

　　3.2.3　程式傳輸47

　　3.2.4　控制單元48

　　3.2.5　微指令52

　　3.2.6　RISC和CISC的對比53

　　3.2.7　處理器實例——ARM55

　　3.2.8　關於ARM的更多內容56

　3.3　指令處理56

　　3.3.1　指令集57

　　3.3.2　取指和解碼59

　　3.3.3　壓縮指令集63

　　3.3.4　定址模式65

　　3.3.5　堆疊機和逆波蘭表示法67

　3.4　數據處理68

　　3.4.1　數據的格式和表達68

　　3.4.2　數據流71

　　3.4.3　數據存儲72

　　3.4.4　內部數據72

　　3.4.5　數據處理73

　3.5　自頂向下方法75

　　3.5.1　計算機的能力75

　　3.5.2　性能衡量和統計76

　　3.5.3　性能評估78

　3.6　小結79

　思考題80

第4章　處理器內部組成82

　4.1　內部匯流排結構82

　　4.1.1　程式設計師的角度82

　　4.1.2　分解互聯排列83

　　4.1.3　ADSP21xx匯流排排列84

　　4.1.4　數據與程式同時訪存84

　　4.1.5　雙匯流排體系結構86

　　4.1.6　單匯流排體系結構87

　4.2　算術邏輯單元88

　　4.2.1　ALU功能88

　　4.2.2　ALU設計89

　4.3　記憶體管理單元91

　　4.3.1　對虛擬存儲的需求91

　　4.3.2　MMU操作91

　　4.3.3　退回算法93

　　4.3.4　內部存儲碎片和片段93

　　4.3.5　外部碎片94

　　4.3.6　改進的MMU95

　　4.3.7　記憶體保護96

　4.4　cache97

　　4.4.1　直接相聯cache98

　　4.4.2　組相聯cache99

　　4.4.3　全相聯cache100

　　4.4.4　局部性原則100

　　4.4.5　cache替換算法102

　　4.4.6　cache性能104

　　4.4.7　cache一致性105

　4.5　協處理器107

　4.6　浮點運算單元107

　4.7　SIMD流指令擴展和多媒體擴展109

　　4.7.1　MMX109

　　4.7.2　MMX實現110

　　4.7.3　MMX的使用111

　　4.7.4　SIMD流指令擴展111

　　4.7.5　使用SSE和MMX111

　4.8　嵌入式系統中的協處理112

　4.9　小結112

　思考題113

第5章　提高CPU性能116

　5.1　加速116

　5.2　流水線117

　　5.2.1　多功能流水線118

　　5.2.2　動態流水線119

　　5.2.3　改變流水線模式119

　　5.2.4　數據相關冒險121

　　5.2.5　條件冒險122

　　5.2.6　條件分支123

　　5.2.7　編譯時流水線補償125

　　5.2.8　相對地址分支126

　　5.2.9　流水線的指令集補償127

　　5.2.10　運行時流水線補償128

　5.3　複雜指令集和精簡指令集130

　5.4　超標量體系結構130

　　5.4.1　簡單超標量130

　　5.4.2　多傳送超標量132

　　5.4.3　超標量的性能133

　5.5　每周期的指令數133

　　5.5.1　不同體系結構的IPC133

　　5.5.2　IPC度量134

　5.6　硬體加速器135

　　5.6.1　零開銷循環135

　　5.6.2　地址處理硬體137

　　5.6.3　影子暫存器140

　5.7　分支預測140

　　5.7.1　分支預測的必要性141

　　5.7.2　單T位預測器142

　　5.7.3　雙位預測器143

　　5.7.4　計數器和移位器預測器145

　　5.7.5　局部分支預測器145

　　5.7.6　全局分支預測器148

　　5.7.7　G選擇預測器149

　　5.7.8　G共享預測器150

　　5.7.9　混合預測器151

　　5.7.10　分支目標緩衝152

　　5.7.11　基本代碼段153

　　5.7.12　分支預測總結154

　5.8　並行機器155

　　5.8.1　SISD向MIMD的演變157

　　5.8.2　為提高性能而採用並行159

　　5.8.3　其他並行處理160

　5.9　Tomasulo算法163

　　5.9.1　Tomasulo算法的原理163

　　5.9.2　Tomasulo系統的例子164

　　5.9.3　嵌入式系統中的Tomasulo算法167

　5.10　超長指令架構集168

　　5.10.1　什麼是VLIW168

　　5.10.2　VLIW的優勢169

　　5.10.3　VLIW的瓶頸170

　　5.10.4　與超標量處理器的比較170

　5.11　小結171

　思考題171

第6章　外部匯流排174

　6.1　匯流排接口174

　　6.1.1　匯流排控制信號175

　　6.1.2　直接存儲器存取175

　6.2　並行匯流排規範176

　6.3　標準接口177

　　6.3.1　系統控制接口177

　　6.3.2　系統數據匯流排178

　　6.3.3　輸入/輸出匯流排182

　　6.3.4　外設器件匯流排182

　　6.3.5　與網路設備的接口183

　6.4　實時性問題183

　　6.4.1　外部激勵184

　　6.4.2　中斷184

　　6.4.3　實時性定義184

　　6.4.4　時間範圍參數185

　　6.4.5　硬體體系結構對實時作業系統的支持186

　6.5　中斷和中斷處理187

　　6.5.1　中斷的重要性187

　　6.5.2　中斷過程187

　　6.5.3　高級中斷處理191

　　6.5.4　共享中斷191

　　6.5.5　可重入代碼192

　　6.5.6　軟體中斷192

　6.6　嵌入式無線連線192

　　6.6.1　無線技術192

　　6.6.2　無線接口194

　　6.6.3　無線相關問題194

　6.7　小結194

　思考題195

第7章　實用嵌入式CPU198

　7.1　概述198

　7.2　微處理器不只是核198

　7.3　功能需求200

　7.4　時鐘203

　7.5　時鐘與功耗205

　　7.5.1　傳輸延遲206

　　7.5.2　電流相關問題206

　　7.5.3　時鐘問題解決方法207

　　7.5.4　低電壓設計207

　7.6　存儲208

　　7.6.1　早期的計算機存儲208

　　7.6.2　唯讀存儲器209

　　7.6.3　隨機存取存儲器213

　7.7　分頁與重疊220

　7.8　嵌入式系統中的存儲221

　　7.8.1　非易失存儲器222

　　7.8.2　其他存儲器224

　7.9　測試和驗證225

　　7.9.1　積體電路設計和製造問題225

　　7.9.2　BIST226

　　7.9.3　JTAG228

　7.10　錯誤檢測和糾正230

　7.11　看門狗定時器和復位監測233

　7.12　逆向工程235

　　7.12.1　逆向工程過程236

　　7.12.2　詳細的物理布局239

　7.13　防止逆向工程242

　　7.13.1　存儲程式的被動模糊243

　　7.13.2　可程式邏輯家族244

　　7.13.3　主動RE防範244

　　7.13.4　主動RE防範分類245

　7.14　軟核處理器246

　　7.14.1　微處理器不僅僅是核心246

　　7.14.2　軟核處理器的優點246

　7.15　硬體軟體協同設計248

　7.16　商業處理器核心251

　7.17　小結252

　思考題252

第8章　編程254

　8.1　運行一個程式254

　　8.1.1　執行的含義255

　　8.1.2　注意事項257

　8.2　編寫程式258

　　8.2.1　編譯型語言258

　　8.2.2　解釋型語言261

　8.3　UNIX編程模型263

　　8.3.1　shell263

　　8.3.2　重定向和數據流264

　　8.3.3　實用軟體266

　8.4　小結266

　思考題266

第9章　作業系統268

　9.1　作業系統的含義268

　9.2　為什麼需要作業系統268

　　9.2.1　作業系統的特徵269

　　9.2.2　作業系統的類型270

　9.3　作業系統的作用271

　　9.3.1　資源管理271

　　9.3.2　虛擬機271

　　9.3.3　CPU時間272

　　9.3.4　記憶體管理273

　　9.3.5　存儲和歸檔274

　　9.3.6　保護和錯誤處理274

　9.4　作業系統的結構275

　　9.4.1　分層作業系統276

　　9.4.2　客戶端-伺服器作業系統277

　9.5　啟動277

　　9.5.1　從並行快閃記憶體啟動278

　　9.5.2　從HDD/SSD啟動279

　　9.5.3　啟動之後280

　9.6　進程281

　9.7　調度283

　9.8　存儲與檔案系統286

　　9.8.1　二級存儲286

　　9.8.2　檔案系統的作用289

　　9.8.3　什麼是檔案系統291

　　9.8.4　備份297

　9.9　小結298

　思考題298

第10章　連線性300

　10.1　連線的原因與方法300

　　10.1.1　一對一通信300

　　10.1.2　一對多通信301

　　10.1.3　包交換302

　　10.1.4　簡單通信拓撲303

　10.2　系統要求304

　　10.2.1　分組化304

　　10.2.2　編碼與解碼305

　　10.2.3　傳輸305

　　10.2.4　接收305

　　10.2.5　錯誤控制306

　　10.2.6　連線管理309

　10.3　可擴展性、效率與重複利用310

　10.4　OSI分層311

　10.5　拓撲與架構311

　　10.5.1　分層網路312

　　10.5.2　主從架構312

　　10.5.3　對等架構313

　　10.5.4　點對點連線313

　　10.5.5　移動性與切換313

　10.6　小結314

　思考題314

第11章　網路系統316

　11.1　網際網路316

　　11.1.1　網際網路的歷史317

　　11.1.2　網際網路治理317

　11.2　TCP/IP和IP層模型318

　11.3　乙太網概述321

　　11.3.1　乙太網數據格式322

　　11.3.2　乙太網封裝323

　　11.3.3　乙太網載波偵聽324

　11.4　網路層325

　　11.4.1　IP位址325

　　11.4.2　網路數據包格式326

　　11.4.3　路由327

　　11.4.4　單播與多播327

　　11.4.5　任播328

　　11.4.6　命名328

　　11.4.7　域名伺服器329

　11.5　傳輸層331

　　11.5.1　連線埠號331

　　11.5.2　UDP332

　　11.5.3　TCP332

　　11.5.4　UDP與TCP對比333

　11.6　其他信息333

　　11.6.1　地址解析協定333

　　11.6.2　控制信息334

　11.7　無線連通性334

　　11.7.1　WiFi334

　　11.7.2　WiMax335

　　11.7.3　藍牙335

　　11.7.4　ZigBee336

　　11.7.5　近場通信336

　11.8　網路量表336

　11.9　小結337

　思考題337

第12章　未來338

　12.1　單比特結構338

　　12.1.1　比特-串列加法339

　　12.1.2　比特-串列減法340

　　12.1.3　比特-串列邏輯和處理340

　12.2　多並行機器341

　　12.2.1　小型CPU集群341

　　12.2.2　並行和集群處理注意事項345

　　12.2.3　互連策略345

　12.3　異步處理器347

　　12.3.1　數據流控制348

　　12.3.2　避免管道冒險349

　12.4　替代數字格式系統349

　　12.4.1　多值邏輯350

　　12.4.2　有符號數字表示350

　12.5　光學計算353

　　12.5.1　電-光全加器353

　　12.5.2　電-光底板354

　12.6　是科幻小說還是未來的現實355

　　12.6.1　分散式計算356

　　12.6.2　濕件356

　12.7　小結357

附錄A　標準記憶體大小表示方法358

附錄B　標準邏輯門360

索引361