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| 編輯推薦： |
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作为一名软件开发人员、系统设计师或计算机体系结构专业的学生，当你探索数字设备体系结构时，是否被其复杂性击垮？本书将帮助你学习现代计算机系统的工作原理——从晶体管开关到协作多处理器服务器。在本书中，你将深入学习处理器的内部行为，以设计更高效、可扩展性更好的软件系统。 本书全面介绍了计算机系统的基础知识，包括晶体管、逻辑门、时序逻辑和指令操作。你将了解现代处理器体系结构以及包括x86、x64、ARM和RISC-V在内的指令集，还会看到如何在低成本的FPGA板上实现RISC-V处理器，以及如何编写量子计算程序并在实际的量子计算机上运行。读完本书，你将深入理解现代处理器和计算机体系结构，并了解其未来的发展方向。 学完本书，你将能够： ? 掌握晶体管技术和数字电路原理。 ? 理解计算机处理器的基本功能单元。 ? 理解流水线和超标量执行。 ? 学会使用浮点数据格式。 ? 理解管理员模式的目的和操作。 ? 在低成本的FPGA板上实现完整的RISC-V处理器。 ? 了解虚拟机实现的相关技术。 ? 编写量子计算程序并在量子计算机上运行。
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| 內容簡介： |
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本书对现代计算设备进行了介绍，包括其中可能出现的每一项重要技术和子系统，并阐释其与其他系统部件之间的关系。全书分为三部分。第1部分介绍计算机体系结构基础知识，包括计算机体系结构的基本概念、数字逻辑、处理器元件、计算机系统组件、硬件软件接口、专用计算领域。第二部分介绍处理器体系结构和指令集，涉及处理器和存储器体系结构、性能增强技术、专用处理器扩展、现代处理器体系结构和指令集、RISC-V体系结构和指令集。第三部分介绍计算机体系结构的应用，包括处理器虚拟化、具体的应用程序类别（包括移动设备、个人电脑、游戏系统、互联网搜索引擎和神经网络）、计算机体系结构未来的方向。读完本书，读者将掌握目前在广泛多样的数字系统中所使用的计算机体系结构。
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前言部分 计算机体系结构基础知识第1章 计算机体系结构简介21.1 自动化计算设备的演进21.1.1 巴贝奇分析机21.1.2 ENIAC31.1.3 IBM PC41.1.4 iPhone61.2 摩尔定律71.3 计算机体系结构91.3.1 二进制数和十六进制数91.3.2 6502微处理器121.3.3 6502指令集131.4 总结151.5 习题15第2章 数字逻辑172.1 电路172.2 晶体管182.3 逻辑门192.4 锁存器212.5 触发器232.6 寄存器242.7 加法器252.8 时钟272.9 时序逻辑282.10 硬件描述语言282.11 总结322.12 习题32第3章 处理器要素333.1 一个简单的处理器333.1.1 控制单元343.1.2 算术逻辑单元363.1.3 寄存器 393.2 指令集403.3 寻址方式403.3.1 立即寻址方式413.3.2 寻址方式413.3.3 索引寻址方式423.3.4 间接索引寻址方式433.4 指令类型443.4.1 内存加载指令和存储指令 443.4.2 寄存器到寄存器的数据传送指令453.4.3 堆栈指令453.4.4 算术运算指令453.4.5 逻辑运算指令463.4.6 分支指令463.4.7 子程序调用和返回指令463.4.8 处理器标志指令473.4.9 中断相关的指令473.4.10 空操作指令473.5 中断处理473.5.1 IRQ处理473.5.2 NMI处理483.5.3 BRK指令处理493.6 输入/输出操作503.6.1 程序查询I/O513.6.2 中断驱动I/O513.6.3 直接存储器访问513.7 总结523.8 习题52第4章 计算机系统组件544.1 技术要求544.2 内存子系统544.3 MOSFET简介554.4 用MOSFET构建DRAM电路564.4.1 电容器564.4.2 DRAM位单元574.4.3 DDR4 SDRAM584.4.4 GDDR604.4.5 预取604.5 I/O子系统614.5.1 串行数据总线和并行数据总线614.5.2 PCI Express624.5.3 SATA634.5.4 M.2644.5.5 USB644.5.6 Thunderbolt644.6 图形显示654.6.1 VGA654.6.2 DVI664.6.3 HDMI664.6.4 DisplayPort664.7 网络接口674.7.1 以太网674.7.2 Wi-Fi674.8 键盘和鼠标684.8.1 键盘684.8.2 鼠标694.9 现代计算机系统规范694.10 总结704.11 习题70第5章 硬件-软件接口715.1 设备驱动程序715.1.1 并行端口725.1.2 PCIe设备驱动程序735.1.3 设备驱动程序结构745.2 BIOS755.3 引导过程775.3.1 BIOS引导775.3.2 UEFI引导775.3.3 嵌入式设备 785.4 操作系统785.5 进程和线程805.6 多处理845.7 总结845.8 习题85第6章 专用计算领域866.1 实时计算866.2 数字信号处理896.2.1 模数转换器和数模转换器896.2.2 DSP硬件特性916.2.3 信号处理算法926.3 GPU处理956.4 专用体系结构示例986.5 总结996.6 习题99第二部分 处理器体系结构和指令集第7章 处理器和存储器体系结构1027.1 技术要求1027.2 冯·诺依曼体系结构、哈佛体系结构、改进型哈佛体系结构1027.2.1 冯·诺依曼体系结构1027.2.2 哈佛体系结构1047.2.3 改进型哈佛体系结构1047.3 物理内存和虚拟内存1057.4 分页虚拟内存1077.4.1 页面状态位1097.4.2 内存池1107.5 内存管理单元1117.6 总结1137.7 习题113第8章 性能提升技术1148.1 高速缓存1148.1.1 多级处理器缓存1158.1.2 静态RAM1168.1.3 一级缓存1178.1.4 直接映射缓存1178.1.5 组相联映射缓存1198.1.6 全相联映射缓存1208.1.7 处理器缓存写策略1218.1.8 二级缓存和三级缓存1228.2 指令流水线1238.2.1 超流水线1258.2.2 流水线冒险1258.2.3 微操作和寄存器重命名1268.2.4 条件分支1278.3 同时多线程1288.4 SIMD处理1298.5 总结1298.6 习题130第9章 专用处理器扩展1319.1 技术要求1319.2 处理器的特权模式1319.2.1 中断和异常处理1319.2.2 保护环1339.2.3 监控模式和用户模式1359.2.4 系统调用1359.3 浮点数运算1369.3.1 8087浮点协处理器1379.3.2 IEEE 754浮点数标准1389.4 功耗管理1399.5 系统安全管理1409.6 总结1429.7 习题142第10章 现代处理器体系结构与指令集14310.1 技术要求14310.2 x86体系结构与指令集14310.2.1 x86寄存器集14510.2.2 x86寻址方式14710.2.3 x86指令类别14910.2.4 x86指令格式15210.2.5 x86汇编语言15310.3 x64体系结构与指令集15510.3.1 x64寄存器集15610.3.2 x64指令类别和格式15610.3.3 x64汇编语言15710.4 32位ARM体系结构与指令集15810.4.1 ARM寄存器集16010.4.2 ARM寻址方式16110.4.3 ARM指令类别16210.4.4 ARM汇编语言16410.5 64位ARM体系结构与指令集16610.6 总结16810.7 习题169第11章 RISC-V体系结构与指令集17111.1 技术要求17111.2 RISC-V体系结构与功能17111.3 RISC-V基础指令集17311.3.1 计算指令17311.3.2 控制流指令17411.3.3 访存指令17411.3.4 系统指令17511.
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本书介绍了在现代处理器和计算机体系结构中使用的关键技术和组件，并针对具体需求讨论了不同体系结构的决策如何影响计算机的配置优化。简单来说，现代计算机是一种复杂的设备。然而，当以层次化的方式来看时，每一层的复杂功能就变得明晰了。本书涵盖了众多主题，但只对各个主题进行有限深度的探讨。本书的目标是对现代计算设备进行简单明了的介绍，包括其中可能出现的每一项重要技术和每一个子系统，并阐释设备与其他系统组件之间的关系。本书不会提供一份冗长的参考书单，如果读者想深入阅读，可以自行在互联网上查找相关内容。学完本书，读者将掌握目前在广泛多样的数字系统中所使用的计算机体系结构，还将了解体系结构的发展趋势，以及未来几年可能出现的一些颠覆性技术，这些突破或许会极大地影响计算系统体系结构的发展。目标读者本书适用于软件开发人员、计算机专业学生、系统设计师、计算机科学家、逆向工程师，以及所有希望理解现代计算机系统（从微型嵌入式设备到智能手机，再到仓储规模的云服务器群等）的体系结构和设计原则的人。本书内容本书共14章，各章主要内容如下：第1章从自动化计算设备的简史开始，介绍了推动设备性能飞跃的重大技术进步。之后讨论了摩尔定律，评估了其在过去几十年的适用性和对未来的影响。后以6502微处理器为例，介绍了计算机体系结构的基本概念。第2章介绍了作为开关元件的晶体管，并解释了其在构造逻辑门中的应用。然后介绍了如何结合简单的门来构建触发器和寄存器。该章还介绍了时序逻辑（即包含状态信息的逻辑），后讨论了时钟数字电路。第3章从通用处理器的概念性描述开始介绍组成处理器的要素。该章讨论了指令集、寄存器集、指令加载、解码、执行和排序的概念，还讨论了内存的加载和存储操作。该章还涵盖了分支指令及其在循环处理和条件处理中的应用。后介绍了导致中断处理和I/O操作的一些实际因素。第4章讨论了包括多级缓存在内的计算机存储及其与处理器的接口，讲述了包括中断处理、缓冲和专用I/O处理器在内的I/O需求。该章还讨论了键盘、鼠标、显示器和网络接口等I/O设备的一些特定需求。后给出了这些组件在现代计算机应用中的实例，包括智能移动设备、个人计算机、游戏系统、云服务器和专用机器学习系统。第5章讨论了如何实现计算机操作系统必须提供的高级服务，包括磁盘I/O、网络通信以及与用户交互。该章描述了从处理器指令集和寄存器级别开始实现这些特性的软件层。后介绍了引导、多处理和多线程等操作系统功能。第6章探索了对大多数用户不直接可见的计算领域，包括实时系统、数字信号处理和GPU处理。该章还讨论了与每个计算领域相关的特定需求，并介绍了实现这些特性的现代设备。第7章深入研究了冯·诺依曼体系结构、哈佛体系结构和改进型哈佛体系结构等现代处理器体系结构。该章讨论了分页虚拟内存的实现，介绍了内存管理功能在计算机体系结构中的实际实现，并描述了内存管理单元的功能。第8章讨论了计算机系统中的性能提升技术，这些技术旨在使系统达到峰值执行速度。该章主要介绍提高系统性能的重要技术，包括缓存、指令流水线、指令并行和SIMD处理。第9章重点关注通常在处理器指令集级别实现的扩展，以提供超出一般数据处理需求的附加系统功能。提供的扩展包括特权模式、浮点数、功耗管理和系统安全管理。第10章研究了现代处理器（x86、x64和ARM等）设计中的体系结构和指令集特性。处理器长达几十年的多轮更新换代往往面临兼容性挑战，对历史特性的支持需求往往会增加下一代处理器的复杂性。该章研究了由支持计算机历史特性需求引起的处理器体系结构的一些问题。第11章介绍了RISC-V处理器体系结构及其指令集。RISC-V是一个完全开源、免费的精简指令集计算机体系结构规范。其完整的用户模式（非特权）指令集规范已经发布，并且当前有许多该体系结构的硬件实现可用。对指令集进行多种扩展的规范开发工作正在进行中。该章涵盖RISC-V体系结构的特性和可用变体，介绍了其指令集，还讨论了RISC-V体系结构在移动设备、个人计算机和服务器中的应用。第12章介绍了与处理器虚拟化相关的概念，阐述了虚拟化带来的好处。该章介绍了基于开源工具和操作系统的虚拟化实例，这些开源工具可以在通用计算机上执行各种计算机体系结构和操作系统的指令集精确表示。该章还讨论了虚拟化在开发和部署实际的应用程序中的好处。第13章结合前几章讨论的主题，开发了一种方法来设计计算机系统以满足用户的独特需求。该章讨论了一些具体的应用程序类别，包括移动设备、个人计算机、游戏系统、互联网搜索引擎和神经网络。第14章展望计算机体系结构的未来。该章回顾了计算机体系结构发展过程中的重大进步和当前的发展趋势，并推断了这些趋势可能的发展方向，还讨论了可能改变计算机体系结构未来发展的潜在颠覆性技术。后，该章为计算机架构师的发展提供了建议，以帮助他们适应未来的发展。如何利用本书本书每一章的末尾都有一个习题集，建议
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