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計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu):性能設(shè)計(jì)(英文版·原書(shū)第11版) [美]威廉·斯托林斯 讀者對(duì)象:本書(shū)適合作為高校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)作為計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的教材,也適合作為技術(shù)人員的參考書(shū)
本書(shū)以市場(chǎng)上主流的處理器系列為例,深入討論了計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的基本原理和概念,包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)算、CPU、指令集和匯編語(yǔ)言、并行處理等,并討論了如何將它們運(yùn)用到當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題中。本書(shū)作者有豐富的教學(xué)和教材編寫(xiě)經(jīng)驗(yàn),在編寫(xiě)上內(nèi)容體系合理、講解深入淺出、教學(xué)資源豐富。同時(shí),本書(shū)根據(jù)技術(shù)的發(fā)展,增加了對(duì)并行結(jié)構(gòu)、RISC-V等內(nèi)容的介紹,使讀者能夠了解當(dāng)前計(jì)算機(jī)架構(gòu)的新變化和新發(fā)展。 本書(shū)適合作為高校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)作為計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的教材,也適合作為技術(shù)人員的參考書(shū)。
本書(shū)是計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)典教材,主要特色體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是盡可能清晰、完整地展示現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)和特征;二是凝練出計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)性知識(shí)并進(jìn)行深入討論,同時(shí)將這些知識(shí)與當(dāng)代計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái);三是關(guān)注計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能特征,介紹如何從設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)高性能。要了解當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,僅介紹概念或理論是不夠的,因此本書(shū)以Intel x86和ARM這兩個(gè)代表性的處理器系列為例,深入討論計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的概念及實(shí)際設(shè)計(jì)中的考慮和選擇。
前 言
第11版有什么新內(nèi)容 自本書(shū)第10版出版以來(lái),計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的創(chuàng)新和改進(jìn)不斷。在這個(gè)新版本中,我試圖展示這些變化,同時(shí)保持對(duì)整個(gè)領(lǐng)域的廣泛而全面的覆蓋。為了開(kāi)始這一修訂過(guò)程,許多教授和在這一領(lǐng)域工作的專(zhuān)業(yè)人士廣泛審閱了本書(shū)第10版。結(jié)果是,第11版中很多地方的敘述更加清楚和嚴(yán)謹(jǐn),插圖也得到了完善。 除了這些用以提升教學(xué)效果和用戶(hù)友好性的改進(jìn)之外,本書(shū)還發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。全書(shū)的章節(jié)組織和之前大致相同,但是修訂了許多內(nèi)容,并添加了一些新的內(nèi)容。最值得注意的變化如下: 多芯片模塊:現(xiàn)在廣泛使用的多芯片模塊的新討論已被添加到第1章。 SPEC基準(zhǔn):第2章中對(duì)SPEC的描述已經(jīng)更新,以涵蓋新的SPEC CPU2017基準(zhǔn)套件。 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu):關(guān)于存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的新的一章擴(kuò)展了原cache存儲(chǔ)器一章中的內(nèi)容,并添加了新內(nèi)容。新的第4章包括: 更新和擴(kuò)展了局部性原則的覆蓋范圍。 更新和擴(kuò)展了存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的覆蓋范圍。 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能建模的一種新方法。 cache存儲(chǔ)器:cache存儲(chǔ)器一章已經(jīng)更新和修訂。第5章現(xiàn)在包括: 修訂和擴(kuò)展了邏輯cache組織的處理方式,使用新的圖形以更加清晰。 內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器的描述。 寫(xiě)入分配和無(wú)寫(xiě)入分配策略的描述。 介紹cache性能建模的新的一節(jié)。 嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器:關(guān)于內(nèi)存的第6章現(xiàn)在包括一節(jié)關(guān)注越來(lái)越流行的嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(eDRAM)。 高級(jí)格式4K扇區(qū)硬盤(pán):關(guān)于外部存儲(chǔ)器的第7章,包括對(duì)現(xiàn)在廣泛使用的4K扇區(qū)硬盤(pán)格式的討論。 布爾代數(shù):第12章中關(guān)于布爾代數(shù)的討論已經(jīng)用新的文稿和圖表進(jìn)行了擴(kuò)展,以便于理解。 匯編語(yǔ)言:關(guān)于匯編語(yǔ)言的處理已經(jīng)擴(kuò)展到一整章(第15章),涵蓋更多的細(xì)節(jié)和例子。 流水線:關(guān)于流水線的討論已經(jīng)用新的文稿和圖進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的擴(kuò)展。內(nèi)容涵蓋在第16~18章的新節(jié)中。 cache一致性:第20章中對(duì)MESI cache一致性協(xié)議的討論已經(jīng)用新的文稿和圖進(jìn)行了擴(kuò)展。 對(duì)ACM/IEEE計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)工程課程的支持 本書(shū)既面向?qū)W術(shù)讀者,也面向?qū)I(yè)讀者。作為教材,本書(shū)可以用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程和電氣工程專(zhuān)業(yè)的一學(xué)期或兩學(xué)期的本科課程。本版支持ACM/IEEE計(jì)算機(jī)科學(xué)課程指南2013(CS2013)的建議。CS2013將所有課程劃分為三類(lèi):核心一級(jí)(所有主題都應(yīng)包含在課程中),核心二級(jí)(應(yīng)包括所有或幾乎所有主題),選修(希望提供廣度和深度)。在體系結(jié)構(gòu)和組成(AR)領(lǐng)域,CS2013包括五個(gè)二級(jí)主題和三個(gè)選修主題,每個(gè)主題都有多個(gè)子主題。本書(shū)涵蓋了CS2013列出的所有八個(gè)主題。表P.1顯示了本書(shū)對(duì)CS2013 AR知識(shí)領(lǐng)域的覆蓋。本書(shū)也支持ACM/IEEE計(jì)算機(jī)工程課程指南2016(CE2016)。CE2016定義了計(jì)算機(jī)工程本科的必要知識(shí)體系,分為十二個(gè)知識(shí)領(lǐng)域。其中一個(gè)領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組成(CE-CAO),由十個(gè)核心知識(shí)領(lǐng)域組成。本書(shū)涵蓋了CE2016中列出的所有CE-CAO知識(shí)領(lǐng)域,表P.2顯示了覆蓋范圍。 表P.1 對(duì)CS2013體系結(jié)構(gòu)和組成(AR)知識(shí)領(lǐng)域的覆蓋 IAS知識(shí)單元主 題本書(shū)覆蓋章節(jié) 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)(二級(jí))計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概述和歷史 組合與時(shí)序邏輯/現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列作為基本組合時(shí)序邏輯構(gòu)建塊 多重表示/分層的解釋?zhuān)ㄓ布皇橇硪粚樱?br />物理約束(門(mén)延遲、扇入、扇出、能量/功率) 第1章 第12章 數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示(二級(jí))位、字節(jié)和字 數(shù)值數(shù)據(jù)表示和數(shù)值的進(jìn)制 定點(diǎn)與浮點(diǎn)系統(tǒng) 有符號(hào)和二進(jìn)制補(bǔ)碼表示 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(字符代碼、圖形數(shù)據(jù)) 第10章 第11章 匯編級(jí)機(jī)器組成(二級(jí))馮·諾依曼機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 控制單元;取指、譯碼和執(zhí)行 指令集和類(lèi)型(數(shù)據(jù)操作、控制、I/O) 匯編/機(jī)器語(yǔ)言編程 指令格式 尋址模式 子程序調(diào)用和返回機(jī)制(交叉引用PL/語(yǔ)言翻譯和執(zhí)行) I/O 和中斷 共享內(nèi)存多處理器/多核組織 SIMD 與 MIMD 和 Flynn 分類(lèi)法簡(jiǎn)介 第1章 第8章 第13章 第14章 第15章 第19章 第20章 第21章 存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)(二級(jí))存儲(chǔ)系統(tǒng)及其技術(shù) 存儲(chǔ)器層次:時(shí)間局部性與空間局部性 主存組成和操作 延遲、循環(huán)時(shí)間、帶寬和交叉 cache存儲(chǔ)器(地址映射、塊大小、替換和存儲(chǔ)策略) 多處理器cache一致性/使用存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核間同步/原子內(nèi)存操作 虛擬內(nèi)存(頁(yè)表,TLB) 故障處理和可靠性 第4章 第5章 第6章 第7章 第9章 第20章 接口與通信(二級(jí))I/O基礎(chǔ):握手、緩沖、編程 I/O、中斷驅(qū)動(dòng) I/O 中斷結(jié)構(gòu):向量和優(yōu)先級(jí),中斷確認(rèn) 外部存儲(chǔ)、物理組成和驅(qū)動(dòng)器 總線:總線協(xié)議、仲裁、直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA) RAID 架構(gòu) 第3章 第7章 第8章 功能性組成(選修)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)路徑的實(shí)現(xiàn),包括指令流水線、冒險(xiǎn)檢測(cè)和解析 控制單元:硬連線實(shí)現(xiàn)與微程序?qū)崿F(xiàn) 指令流水線 指令級(jí)并行性 (ILP) 簡(jiǎn)介 第16章 第17章 第18章 第19章 多處理及其他體系結(jié)構(gòu)(選修)SIMD 和 MIMD 指令集和體系結(jié)構(gòu)示例 互連網(wǎng)絡(luò) 共享多處理器內(nèi)存系統(tǒng)和內(nèi)存一致性 多處理器緩存一致性 第20章 第21章 性能提升(選修)超標(biāo)量架構(gòu) 分支預(yù)測(cè)、推測(cè)執(zhí)行、亂序執(zhí)行 預(yù)取 向量處理器和 GPU 多線程的硬件支持 可擴(kuò)展性 第17章 第18章 第20章 表P.2 對(duì)CE2016體系結(jié)構(gòu)和組成(AR)知識(shí)領(lǐng)域的覆蓋 知識(shí)單元本書(shū)覆蓋章節(jié)知識(shí)單元本書(shū)覆蓋章節(jié) 歷史與概覽第1章 存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)第4章 第5章 第6章 第7章 相關(guān)工具、標(biāo)準(zhǔn)和工程約束第3章 輸入/輸出接口與通信第8章 指令集架構(gòu)第13章 第14章 第15章 外圍子系統(tǒng)第3章 第8章 衡量性能第2章 多核/眾核架構(gòu)第21章 計(jì)算機(jī)算術(shù)第10章 第11章 分布式系統(tǒng)架構(gòu)第20章 處理器的組成第16章 第17章 第18章 第19章 本書(shū)目標(biāo) 本書(shū)是關(guān)于計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和功能的,目的是盡可能清晰完整地展示現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)和特征。 這項(xiàng)任務(wù)頗具挑戰(zhàn)性,原因如下。首先,有各種各樣的產(chǎn)品可以稱(chēng)為計(jì)算機(jī),從幾美元的單芯片微處理器到幾千萬(wàn)美元的超級(jí)計(jì)算機(jī)。多樣性不僅表現(xiàn)在成本上,還表現(xiàn)在尺寸、性能和應(yīng)用上。其次,計(jì)算機(jī)技術(shù)特征在持續(xù)不斷地快速變化。這些變化涵蓋了計(jì)算機(jī)技術(shù)的所有方面,從用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)組件的底層集成電路技術(shù)到在組合這些組件時(shí)使用越來(lái)越多的并行組織概念。 盡管計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的變化多種多樣,速度也很快,但某些基本概念始終適用。這些概念的應(yīng)用取決于技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)和設(shè)計(jì)者的性?xún)r(jià)比目標(biāo)。本書(shū)的目的是對(duì)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行徹底討論,并將它們與當(dāng)代設(shè)計(jì)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。 本書(shū)的副書(shū)名“性能設(shè)計(jì)”暗示了本書(shū)的主題和方法。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高性能一直很重要,但這一要求從未像今天這樣強(qiáng)烈且難以滿(mǎn)足。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有基本性能特征,包括處理器速度、存儲(chǔ)器速度、存儲(chǔ)器容量和互連數(shù)據(jù)速率,都在快速增長(zhǎng)。此外,它們正以不同的速度增長(zhǎng)。這樣就很難設(shè)計(jì)一個(gè)平衡的系統(tǒng)來(lái)最大化所有元素的性能和利用率。因此,計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)逐漸變成一種博弈:改變一個(gè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)或功能以補(bǔ)償另一個(gè)領(lǐng)域的性能不足。我們將在整本書(shū)的眾多設(shè)計(jì)決策中看到這種博弈。 與其他系統(tǒng)一樣,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由一組相互關(guān)聯(lián)的部件組成。描述系統(tǒng)特性的最好方式是它的結(jié)構(gòu)(指部件相互連接的方式)與功能(指單個(gè)部件的操作)。此外,計(jì)算機(jī)的組成是層次化的。通過(guò)將其分解為主要子部件并描述其結(jié)構(gòu)和功能,可以進(jìn)一步描述每個(gè)主要部件。為了清晰和易于理解,本書(shū)從上到下描述了這種層次結(jié)構(gòu): 計(jì)算機(jī)系統(tǒng):主要部件是處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出。 處理器:主要部件是控制單元、寄存器、算術(shù)邏輯單元和指令執(zhí)行單元。 控制單元:為所有處理器部件的操作和協(xié)調(diào)提供控制信號(hào)。傳統(tǒng)上,使用的是微程序?qū)崿F(xiàn),其中主要部件是控制存儲(chǔ)器、微指令排序邏輯和寄存器。最近,微程序?qū)崿F(xiàn)已經(jīng)不那么突出,但仍然是一種重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 我們的目的是在保持上下文清晰的情況下呈現(xiàn)新內(nèi)容,從而幫助讀者理解這些知識(shí)。與自下而上的方法相比,讀者的學(xué)習(xí)積極性會(huì)更高。 在整個(gè)討論中,系統(tǒng)的各個(gè)方面都是從體系結(jié)構(gòu)(機(jī)器語(yǔ)言程序員可見(jiàn)的系統(tǒng)屬性)和組成(實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的操作單元及其互連)兩個(gè)角度來(lái)審視的。 示例系統(tǒng) 本書(shū)旨在讓讀者了解當(dāng)代操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,因此,僅介紹純粹的概念或理論是不夠的。為了說(shuō)明這些概念并將它們與實(shí)際設(shè)計(jì)中必須做出的選擇聯(lián)系起來(lái),我們選擇了兩個(gè)處理器系列作為示例系統(tǒng)。 Intel x86體系結(jié)構(gòu):非嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是x86體系結(jié)構(gòu)。x86本質(zhì)上是具有某些精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)特點(diǎn)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) (CISC)。 x86 系列的最新成員利用了超標(biāo)量和多核設(shè)計(jì)原則。x86體系結(jié)構(gòu)特性的演變?yōu)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中大多數(shù)設(shè)計(jì)原則的演變提供了一個(gè)獨(dú)特的研究案例。 ARM:ARM體系結(jié)構(gòu)可以說(shuō)是使用最廣泛的嵌入式處理器,用于手機(jī)、iPod、遠(yuǎn)程傳感器設(shè)備和許多其他設(shè)備。 ARM 本質(zhì)上是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC)。ARM系列的最新成員利用了超標(biāo)量和多核設(shè)計(jì)原則。 本書(shū)中的許多示例(但不是全部)都來(lái)自這兩個(gè)計(jì)算機(jī)系列。許多其他系統(tǒng),包括現(xiàn)代的和過(guò)去的,都體現(xiàn)了重要的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性。 本書(shū)的組織結(jié)構(gòu) 本書(shū)分為六個(gè)部分: 概述 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 算術(shù)與邏輯 指令集與匯編語(yǔ)言 CPU 并行組織 本書(shū)具備許多適用于教學(xué)的特色,包括使用交互式模擬和大量圖表來(lái)使討論更清晰。每章末尾都給出了關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題。這本書(shū)還包括一個(gè)廣泛的詞匯表和參考文獻(xiàn)。 教輔資源1 教師的教輔資料可從教師資源中心(IRC)獲取,可通過(guò)出版商的網(wǎng)站 www.pearson.com/stallings 訪問(wèn)。要訪問(wèn) IRC,請(qǐng)通過(guò) www.pearson.com/replocator 聯(lián)系當(dāng)?shù)氐?Pearson 銷(xiāo)售代表。IRC提供以下資料: 項(xiàng)目手冊(cè):項(xiàng)目資源,包括文檔和可移植的軟件,以及本前言中隨后列出的所有項(xiàng)目類(lèi)別的推薦項(xiàng)目作業(yè)。 解題手冊(cè):對(duì)章末思考題和習(xí)題的解答。 PowerPoint 幻燈片:一套涵蓋所有章節(jié)的幻燈片,適用于教學(xué)。 PDF 文件:書(shū)中的所有圖表。 試題庫(kù):每章的問(wèn)題集。 教學(xué)大綱示例:本書(shū)包含的資料多于一學(xué)期教學(xué)所需的量。因此,為教師提供了若干個(gè)教學(xué)大綱示例,以指導(dǎo)在有限時(shí)間內(nèi)如何使用本書(shū)。這些示例都以教授本書(shū)第1版時(shí)的真實(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。 學(xué)生資源 在新版本中,學(xué)生可以在網(wǎng)上獲取大量的原始支持材料。本書(shū)網(wǎng)址為www.pearson.com/stallings,包括按章組織的相關(guān)鏈接列表和勘誤表。為了幫助學(xué)生理解材料,在這個(gè)網(wǎng)站上有一組獨(dú)立的家庭作業(yè)問(wèn)題和解答。學(xué)生可以通過(guò)解答這些問(wèn)題,然后核對(duì)答案來(lái)增強(qiáng)自己對(duì)本書(shū)的理解。該網(wǎng)站還包括本書(shū)中引用的大量文件和論文。 項(xiàng)目和其他學(xué)生練習(xí) 對(duì)許多教師來(lái)說(shuō),計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的一個(gè)重要組成部分是一個(gè)或一組項(xiàng)目,學(xué)生可以通過(guò)這些項(xiàng)目獲得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)強(qiáng)化理解課本中的概念。本書(shū)為此提供了相關(guān)的支持,教師可通過(guò)IRC使用教輔資源,這些資源不僅包括關(guān)于布置和構(gòu)建項(xiàng)目的指導(dǎo),而且還包括一組針對(duì)各種項(xiàng)目類(lèi)型和特定任務(wù)的用戶(hù)手冊(cè),所有這些都是特別為本書(shū)而寫(xiě)的。教師可以針對(duì)以下各方面布置作業(yè): 交互式模擬作業(yè):隨后描述。 研究項(xiàng)目:指導(dǎo)學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上研究特定主題并撰寫(xiě)報(bào)告的一系列研究任務(wù)。 仿真項(xiàng)目:IRC支持使用兩個(gè)仿真包,其中SimpleScalar可用于探索計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題,SMPCache提供了一個(gè)強(qiáng)大的教育工具,用于檢查對(duì)稱(chēng)多處理器的緩存設(shè)計(jì)問(wèn)題。 匯編語(yǔ)言項(xiàng)目:使用了一種簡(jiǎn)化的匯編語(yǔ)言CodeBlue,并提供了基于流行的Core Wars概念的作業(yè)。 閱讀/報(bào)告作業(yè):每章有一份或多份論文清單,可供學(xué)生閱讀并寫(xiě)一份簡(jiǎn)短的報(bào)告。 寫(xiě)作作業(yè):用來(lái)幫助學(xué)習(xí)書(shū)中內(nèi)容的寫(xiě)作作業(yè)清單。 測(cè)試庫(kù):包括判斷題、多選題以及填空題和答案。 這些多樣化的項(xiàng)目和學(xué)生練習(xí)可使教師通過(guò)使用本書(shū)豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn),也可以定制課程計(jì)劃以滿(mǎn)足師生的具體需求。 交互式模擬 本書(shū)的一個(gè)重要特點(diǎn)是結(jié)合了交互式模擬。這些模擬為理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)特征提供了有力的工具。全書(shū)共使用20個(gè)交互式模擬來(lái)說(shuō)明計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵功能和算法。在本書(shū)中的相關(guān)位置,有一個(gè)圖標(biāo)表明相關(guān)的交互式模擬可在線供學(xué)生使用。因?yàn)閯?dòng)畫(huà)使用戶(hù)能夠設(shè)置初始條件,所以它們可以作為學(xué)生作業(yè)的基礎(chǔ)。教師的補(bǔ)充材料包括一組作業(yè),每個(gè)動(dòng)畫(huà)一個(gè)。每個(gè)作業(yè)都包括幾個(gè)可以分配給學(xué)生的具體問(wèn)題。 致謝 新版本得益于許多人的審閱,他們慷慨地貢獻(xiàn)了自己的時(shí)間和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。以下幾位教授對(duì)整本書(shū)進(jìn)行了審閱:Nikhil Bhargava(印度管理學(xué)院,德里)、James Gil de Lamadrid(鮑伊州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系)、Debra Calliss(亞利桑那州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系)、Mohammed Anwaruddin(文特沃斯理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系)、Roger Kieckhafer(密歇根理工大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系)、Paul Fortier(馬薩諸塞大學(xué)達(dá)斯茅斯分校電子與計(jì)算機(jī)工程系)、Yan Zhang (南佛羅里達(dá)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系)、Patricia Roden(北阿拉巴馬大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息系統(tǒng)系)、Sanjeev Baskiyar(奧本大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程系)和Jayson Rock(威斯康星大學(xué)密爾沃基分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系)。我特別要感謝Roger Kieckhafer教授允許我使用他課堂講稿中的一些圖形和性能模型。 還要感謝許多人,他們?yōu)橐徽禄蚨嗾绿峁┝嗽敿?xì)的技術(shù)意見(jiàn):Rekai Gonzalez Alberquilla、Allen Baum、Jalil Boukhobza、Dmitry Bufistov、Humberto Calderón、Jesus Carretero、Ashkan Eghbal、Peter Glaskowsky、Ram Huggahalli、Chris Jesshope、Athanasios Kakarountas、Isil Oz、Mitchell Poplingher、Roger Shepherd、Jigar Savla、Karl Stevens、Siri Uppalapati、Sriram Vajapeyam博士、Kugan Vivekanandarajah、Pooria M. Yaghini和Peter Zeno。 美國(guó)阿巴拉契亞州立大學(xué)的Cindy Norris教授、美國(guó)新布倫瑞克大學(xué)的Bin Mu教授、美國(guó)阿拉斯加州立大學(xué)的Kenrick Mock教授好心地提供了家庭作業(yè)。 馬薩諸塞大學(xué)的Aswin Sreedhar開(kāi)發(fā)了交互式模擬作業(yè)。 西班牙埃斯特雷馬杜拉大學(xué)的Miguel Angel Vega Rodriguez教授、Juan Manuel Sánchez Pérez教授、Juan Antonio Gómez Pulido教授編寫(xiě)了指導(dǎo)手冊(cè)中的SMPCache問(wèn)題,并編寫(xiě)了《SMPCache用戶(hù)指南》。 威斯康星大學(xué)的Todd Bezenek和利哈伊大學(xué)的James Stine準(zhǔn)備了指導(dǎo)手冊(cè)中的Simple-Scalar問(wèn)題,并編寫(xiě)了《SimpleScalar用戶(hù)指南》。 最后,我要感謝負(fù)責(zé)出版本書(shū)的許多人,他們所做的工作一如既
威廉·斯托林斯(William Stallings) 博士,知名計(jì)算機(jī)圖書(shū)作者,曾13次獲得美國(guó)教材和學(xué)術(shù)專(zhuān)著作者協(xié)會(huì)頒發(fā)的年度最佳計(jì)算機(jī)科學(xué)教材獎(jiǎng)。他的研究興趣包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、安全、操作系統(tǒng)等,曾為多種計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TCP/IP和OSI的協(xié)議組。
目 錄
前言 作者簡(jiǎn)介 第一部分 概述 第1章 基本概念與計(jì)算機(jī)演化 1 1.1 組成與體系結(jié)構(gòu) 2 1.2 功能和結(jié)構(gòu) 3 1.3 IAS計(jì)算機(jī) 11 1.4 邏輯門(mén)、存儲(chǔ)器位元、芯片和 多芯片模塊 17 1.5 Intel x86體系結(jié)構(gòu)的演化 23 1.6 嵌入式系統(tǒng) 24 1.7 ARM體系結(jié)構(gòu) 29 1.8 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 34 第2章 性能問(wèn)題 37 2.1 性能設(shè)計(jì) 38 2.2 多核、MIC和GPGPU 44 2.3 阿姆達(dá)爾定律和利特爾法則 45 2.4 計(jì)算機(jī)性能的基本指標(biāo) 48 2.5 計(jì)算平均值 51 2.6 基準(zhǔn)測(cè)試和SPEC 59 2.7 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 66 第二部分 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第3章 計(jì)算機(jī)功能和互連的頂層視圖72 3.1 計(jì)算機(jī)的部件 73 3.2 計(jì)算機(jī)的功能 75 3.3 互連結(jié)構(gòu) 90 3.4 總線互連 92 3.5 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連 94 3.6 PCIe 99 3.7 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 107 第4章 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu): 局部性和性能 112 4.1 局部性原理 113 4.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)的特性 118 4.3 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 121 4.4 多級(jí)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的性能建!128 4.5 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 135 第5章 cache存儲(chǔ)器 138 5.1 cache存儲(chǔ)器的原理 139 5.2 cache的設(shè)計(jì)要素 143 5.3 Intel x86的cache組織 165 5.4 IBM z13的cache組織 168 5.5 cache的性能模型 169 5.6 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 173 第6章 內(nèi)部存儲(chǔ)器 177 6.1 半導(dǎo)體主存儲(chǔ)器 178 6.2 糾錯(cuò) 187 6.3 DDR DRAM 192 6.4 eDRAM 197 6.5 閃存 199 6.6 較新的非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器技術(shù) 202 6.7 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 205 第7章 外部存儲(chǔ)器 210 7.1 磁盤(pán) 211 7.2 RAID 221 7.3 固態(tài)硬盤(pán) 231 7.4 光存儲(chǔ)器 234 7.5 磁帶 240 7.6 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 242 第8章 輸入/輸出 245 8.1 外部設(shè)備 247 8.2 I/O模塊 249 8.3 編程式I/O 252 8.4 中斷驅(qū)動(dòng)式I/O 256 8.5 DMA 265 8.6 DCA 271 8.7 I/O通道和處理器 278 8.8 外部互連標(biāo)準(zhǔn) 280 8.9 IBM z13 I/O結(jié)構(gòu) 283 8.10 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 287 第9章 操作系統(tǒng)支持 291 9.1 操作系統(tǒng)概述 292 9.2 調(diào)度 303 9.3 存儲(chǔ)器管理 309 9.4 Intel x86存儲(chǔ)器管理 320 9.5 ARM存儲(chǔ)器管理 325 9.6 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 330 第三部分 算術(shù)與邏輯 第10章 數(shù)字系統(tǒng) 334 10.1 十進(jìn)制系統(tǒng) 335 10.2 按位記數(shù)制系統(tǒng) 336 10.3 二進(jìn)制系統(tǒng) 337 10.4 二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換 337 10.5 十六進(jìn)制表示法 340 10.6 關(guān)鍵詞和習(xí)題 342 第11章 計(jì)算機(jī)算術(shù)運(yùn)算 344 11.1 算術(shù)邏輯單元 345 11.2 整數(shù)表示 346 11.3 整數(shù)算術(shù)運(yùn)算 351 11.4 浮點(diǎn)表示 366 11.5 浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算 374 11.6 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 383 第12章 數(shù)字邏輯 388 12.1 布爾代數(shù) 389 12.2 門(mén) 394 12.3 組合電路 396 12.4 時(shí)序電路 414 12.5 可編程邏輯器件 423 12.6 關(guān)鍵詞和習(xí)題 428 第四部分 指令集與匯編語(yǔ)言 第13章 指令集:特征和功能 432 13.1 機(jī)器指令特征 433 13.2 操作數(shù)類(lèi)型 440 13.3 Intel x86和ARM數(shù)據(jù)類(lèi)型 442 13.4 操作類(lèi)型 445 13.5 Intel x86和ARM操作類(lèi)型 458 13.6 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 466 本章附錄 小端、大端和雙端 472 第14章 指令集:尋址方式和 指令格式 476 14.1 尋址方式 477 14.2 x86和ARM尋址方式 483 14.3 指令格式 489 14.4 x86和ARM指令格式 497 14.5 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 502 第15章 匯編語(yǔ)言及相關(guān)主題 506 15.1 匯編語(yǔ)言概念 507 15.2 運(yùn)用匯編語(yǔ)言編程的動(dòng)機(jī) 510 15.3 匯編語(yǔ)言元素 512 15.4 示例 518 15.5 匯編器的類(lèi)型 523 15.6 匯編器 523 15.7 裝載和鏈接 526 15.8 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 533 第五部分 CPU 第16章 CPU的結(jié)構(gòu)和功能 537 16.1 CPU組成 538 16.2 寄存器組成 539 16.3 指令周期 545 16.4 指令流水線技術(shù) 548 16.5 用于流水線的處理器結(jié)構(gòu) 566 16.6 x86系列處理器 568 16.7 ARM處理器 575 16.8 關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題 581 第17章 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) 586 17.1 指令執(zhí)行特征 588 17.2 大寄存器組方案的使用 593 17.3 基于編譯器的寄存器優(yōu)化 598 17.4 精簡(jiǎn)指令集體系結(jié)構(gòu) 600 17.5 RISC流水線技術(shù)
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