計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)：性能設(shè)計(jì)（原書第11版）

目　錄
Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, Eleventh Edition
譯者序
前言
作者簡(jiǎn)介
譯者簡(jiǎn)介
第一部分　概述
第1章　基本概念與計(jì)算機(jī)演化　2
1.1　組成與體系結(jié)構(gòu)　2
1.2　功能和結(jié)構(gòu)　3
1.2.1　功能　3
1.2.2　結(jié)構(gòu)　3
1.3　IAS計(jì)算機(jī)　8
1.4　邏輯門、存儲(chǔ)器位元、芯片和
　　多芯片模塊　12
1.4.1　邏輯門和存儲(chǔ)器位元　12
1.4.2　晶體管　13
1.4.3　微電子芯片　13
1.4.4　多芯片模塊　15
1.5　Intel x86體系結(jié)構(gòu)的演化　15
1.6　嵌入式系統(tǒng)　18
1.6.1　物聯(lián)網(wǎng)　19
1.6.2　嵌入式操作系統(tǒng)　19
1.6.3　應(yīng)用處理器與專用處理器　19
1.6.4　微處理器與微控制器　20
1.6.5　嵌入式系統(tǒng)與深度嵌入式系統(tǒng)　20
1.7　ARM體系結(jié)構(gòu)　21
1.7.1　ARM的演變　21
1.7.2　指令集體系結(jié)構(gòu)　21
1.7.3　ARM產(chǎn)品　22
1.8　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　25
第2章　性能問題　28
2.1　性能設(shè)計(jì)　28
2.1.1　微處理器的速度　29
2.1.2　性能平衡　29
2.1.3　芯片組成和體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)　30
2.2　多核、MIC和GPGPU　32
2.3　阿姆達(dá)爾定律和利特爾法則　33
2.3.1　阿姆達(dá)爾定律　33
2.3.2　利特爾法則　34
2.4　計(jì)算機(jī)性能的基本指標(biāo)　35
2.4.1　時(shí)鐘速度　36
2.4.2　指令執(zhí)行速度　36
2.5　計(jì)算平均值　37
2.5.1　算術(shù)平均值　39
2.5.2　調(diào)和平均值　39
2.5.3　幾何平均值　41
2.6　基準(zhǔn)測(cè)試和SPEC　43
2.6.1　基準(zhǔn)測(cè)試原則　43
2.6.2　SPEC基準(zhǔn)測(cè)試　44
2.7　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　49
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56
3.1　計(jì)算機(jī)的部件　56
3.2　計(jì)算機(jī)的功能　58
3.2.1　指令的讀取和執(zhí)行　58
3.2.2　中斷　61
3.2.3　I/O功能　67
3.3　互連結(jié)構(gòu)　68
3.4　總線互連　68
3.5　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連　70
3.5.1　QPI物理層　71
3.5.2　QPI鏈路層　72
3.5.3　QPI路由層　73
3.5.4　QPI協(xié)議層　73
3.6　PCIe　73
3.6.1　PCI物理和邏輯體系結(jié)構(gòu)　74
3.6.2　PCIe物理層　75
3.6.3　PCIe事務(wù)處理層　76
3.6.4　PCIe數(shù)據(jù)鏈路層　78
3.7　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　79
第4章　存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)：
　　　　局部性和性能 83
4.1　局部性原理　83
4.2　存儲(chǔ)系統(tǒng)的特性　87
4.3　存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)　88
4.3.1　成本與性能特點(diǎn)　89
4.3.2　存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的典型構(gòu)件　91
4.3.3　IBM z13存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 92
4.3.4　存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則　93
4.4　多級(jí)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的性能建模　93
4.4.1　兩級(jí)存儲(chǔ)器存取　93
4.4.2　多級(jí)存儲(chǔ)器存取　97
4.5　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　99
第5章　cache存儲(chǔ)器　102
5.1　cache存儲(chǔ)器的原理　102
5.2　cache的設(shè)計(jì)要素　105
5.2.1　cache地址　105
5.2.2　cache容量　106
5.2.3　邏輯cache的組織結(jié)構(gòu)　107
5.2.4　替換算法　117
5.2.5　寫策略　118
5.2.6　行大小　119
5.2.7　cache的數(shù)目　119
5.2.8　包含策略　121
5.3　Intel x86的cache組織　122
5.4　IBM z13的cache組織　124
5.5　cache的性能模型　125
5.5.1　cache的時(shí)序模型　125
5.5.2　用于提高性能的設(shè)計(jì)選項(xiàng)　126
5.6　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　127
第6章　內(nèi)部存儲(chǔ)器　131
6.1　半導(dǎo)體主存儲(chǔ)器　131
6.1.1　組織　131
6.1.2　DRAM和SRAM　132
6.1.3　ROM類型　133
6.1.4　芯片邏輯　134
6.1.5　芯片封裝　136
6.1.6　模塊組織　136
6.1.7　多體交叉存儲(chǔ)器　138
6.2　糾錯(cuò)　138
6.3　DDR DRAM　142
6.3.1　SDRAM　142
6.3.2　DDR SDRAM　144
6.4　eDRAM　146
6.4.1　IBM z13 eDRAM的
　　　 cache結(jié)構(gòu)　146
6.4.2　Intel Core系統(tǒng)的cache結(jié)構(gòu)　146
6.5　閃存　148
6.5.1　操作　148
6.5.2　NOR和NAND閃存　148
6.6　較新的非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器技術(shù) 150
6.6.1　STT-RAM　151
6.6.2　PCRAM　 152
6.6.3　ReRAM　152
6.7　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　152
第7章　外部存儲(chǔ)器　156
7.1　磁盤　156
7.1.1　磁讀寫機(jī)制　 156
7.1.2　數(shù)據(jù)組織和格式化　157
7.1.3　物理特性　 160
7.1.4　磁盤性能參數(shù)　161
7.2　RAID　163
7.2.1　RAID 0級(jí)　165
7.2.2　RAID 1級(jí)　167
7.2.3　RAID 2級(jí)　168
7.2.4　RAID 3級(jí)　168
7.2.5　RAID 4級(jí)　169
7.2.6　RAID 5級(jí)　169
7.2.7　RAID 6級(jí)　169
7.3　固態(tài)硬盤　171
7.3.1　固態(tài)硬盤與硬盤驅(qū)動(dòng)器的比較 171
7.3.2　固態(tài)硬盤組織結(jié)構(gòu)　171
7.3.3　實(shí)際問題　172
7.4　光存儲(chǔ)器　172
7.4.1　光盤　173
7.4.2　數(shù)字多功能光盤　175
7.4.3　高清晰光盤　176
7.5　磁帶　177
7.6　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　178
第8章　輸入/輸出　182
8.1　外部設(shè)備　182
8.1.1　鍵盤/監(jiān)視器　184
8.1.2　磁盤驅(qū)動(dòng)器　184
8.2　I/O模塊　184
8.2.1　模塊功能　184
8.2.2　I/O模塊結(jié)構(gòu)　185
8.3　編程式I/O　186
8.3.1　編程式I/O概述　186
8.3.2　I/O命令　187
8.3.3　I/O指令　188
8.4　中斷驅(qū)動(dòng)式I/O　189
8.4.1　中斷處理　189
8.4.2　設(shè)計(jì)問題　191
8.4.3　Intel 82C59A中斷控制器　192
8.4.4　Intel 8255A可編程外部接口　192
8.5　DMA　196
8.5.1　編程式I/O和中斷驅(qū)動(dòng)式
　　　 I/O的缺點(diǎn)　196
8.5.2　DMA功能　197
8.5.3　Intel 8237A DMA控制器　198
8.6　DCA　200
8.6.1　使用共享的最后一級(jí)
　　　 cache的DMA　201
8.6.2　cache相關(guān)的性能問題　202
8.6.3　直接cache存取策略　204
8.6.4　直接數(shù)據(jù)I/O　204
8.7　I/O通道和處理器　206
8.7.1　I/O功能的演變　206
8.7.2　I/O通道的特點(diǎn)　206
8.8　外部互連標(biāo)準(zhǔn)　207
8.8.1　通用串行總線　207
8.8.2　FireWire串行總線　208
8.8.3　小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口　208
8.8.4　迅雷　208
8.8.5　InfiniBand　209
8.8.6　PCIe　209
8.8.7　SATA　209
8.8.8　以太網(wǎng)　209
8.8.9　WiFi　209
8.9　IBM z13 I/O結(jié)構(gòu)　210
8.9.1　通道結(jié)構(gòu)　210
8.9.2　I/O系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)　211
8.10　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　212
第9章　操作系統(tǒng)支持　217
9.1　操作系統(tǒng)概述　217
9.1.1　操作系統(tǒng)的目標(biāo)與功能　217
9.1.2　操作系統(tǒng)的類型　219
9.2　調(diào)度　224
9.2.1　長(zhǎng)期調(diào)度　225
9.2.2　中期調(diào)度　225
9.2.3　短期調(diào)度　225
9.3　存儲(chǔ)器管理　228
9.3.1　交換　228
9.3.2　分區(qū)　229
9.3.3　分頁(yè)　230
9.3.4　虛擬存儲(chǔ)器　232
9.3.5　快表　233
9.3.6　分段　235
9.4　Intel x86存儲(chǔ)器管理　235
9.4.1　地址空間　235
9.4.2　分段　236
9.4.3　分頁(yè)　238
9.5　ARM存儲(chǔ)器管理　239
9.5.1　存儲(chǔ)器系統(tǒng)組織　239
9.5.2　虛擬存儲(chǔ)器地址轉(zhuǎn)換　239
9.5.3　存儲(chǔ)器管理格式　240
9.5.4　存取控制　242
9.6　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　242
第三部分　算術(shù)與邏輯
第10章　數(shù)字系統(tǒng)　248
10.1　十進(jìn)制系統(tǒng)　248
10.2　按位記數(shù)制系統(tǒng)　249
10.3　二進(jìn)制系統(tǒng)　249
10.4　二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換　250
10.4.1　整數(shù)　250
10.4.2　小數(shù)　 251
10.5　十六進(jìn)制表示法　252
10.6　關(guān)鍵詞和習(xí)題　254
第11章　計(jì)算機(jī)算術(shù)運(yùn)算　256
11.1　算術(shù)邏輯單元　256
11.2　整數(shù)表示　257
11.2.1　符號(hào)-幅值表示法　257
11.2.2　二進(jìn)制補(bǔ)碼表示法　258
11.2.3　范圍擴(kuò)展　260
11.2.4　定點(diǎn)表示法　261
11.3　整數(shù)算術(shù)運(yùn)算　261
11.3.1　取負(fù)　261
11.3.2　加法和減法　262
11.3.3　乘法　265
11.3.4　除法　270
11.4　浮點(diǎn)表示　273
11.4.1　原理　273
11.4.2　二進(jìn)制浮點(diǎn)表示的
　　　　　　　IEEE標(biāo)準(zhǔn)　275
11.5　浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算　279
11.5.1　浮點(diǎn)加法和減法　280
11.5.2　浮點(diǎn)乘法和除法　281
11.5.3　精度考慮　282
11.5.4　二進(jìn)制浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算的
　　　　IEEE標(biāo)準(zhǔn)　284
11.6　關(guān)鍵詞、思考題和習(xí)題　286
第12章　數(shù)字邏輯　290
12.1　布爾代數(shù)　290
12.1.1　集合代數(shù)　291
12.1.2　布爾恒等式　293
12.2　門　294
12.3　組合電路　296
12.3.1　布爾函數(shù)的實(shí)現(xiàn)　296
12.3.2　多路復(fù)用器　303
12.3.3　解碼器　304
12.3.4　只讀存儲(chǔ)器　305
12.3.5　加法器　306
12.4　時(shí)序電路　309
12.4.1　觸發(fā)器　309
12.4.2　寄存器　311
12.4.3　計(jì)數(shù)器　313
12.5　可編程邏輯器件　315
12.5.1　可編程邏輯陣列　316
12.5.2　現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列　317
12.6　關(guān)鍵詞和習(xí)題　318
第四部分　指令集與匯編語(yǔ)言
第13章　指令集：特征和功能　324
13.1　機(jī)器指令特征　324
13.1.1　機(jī)器指令要素　324
13.1.2　指令表示　325
13.1.3　指令類型　326
13.1.4　地址數(shù)目　327
13.1.5　指令集設(shè)計(jì)　328
13.2　操作數(shù)類型　329
13.2.1　數(shù)值　329
13.2.2　字符　329
13.2.3　邏輯數(shù)據(jù)　330
13.3　Intel x86和ARM數(shù)據(jù)類型　330
13.3.1　x86數(shù)據(jù)類型　330
13.3.2　ARM數(shù)據(jù)類型　331
13.4　操作類型