計算機體系結構基礎, 3/e

本書由國內從事微處理器設計的一線科研人員編寫而成。
作者從微處理器設計的角度出發，充分考慮計算機體系結構的學科完整性，
強調體系結構、基礎軟件、電路和器件的融會貫通。
全書共分12章，包括指令系統結構、計算機硬件結構、CPU微結構、
並行處理結構、計算機性能分析等主要內容，
重點放在作為軟硬件界面的指令系統結構，以及包含CPU、GPU、南北橋協同的計算機硬件結構上。
 本書可作為高等院校“計算機體系結構”課程的本科生教材，
同時也適合相關專業研究生或計算機技術人員參考閱讀。

胡偉武　
1991年畢業於中國科學技術大學計算機系，
隨後免試進入中科院計算所直接攻讀博士學位，
師從著名計算機專家夏培肅院士，1996年3月博士畢業並獲工學博士學位。
現任中國科學院計算技術研究所研究員、博士生導師，
龍芯中科技術股份有限公司董事長、龍芯CPU首席科學家。
全國青聯委員，第十一屆全國人大代表，黨的十八大、十九大代表。
主要研究方向為計算機系統結構和微處理器設計，作為總設計師成功研製多款國產龍芯高性能通用CPU。

主持國家自然科學基金、國家863高技術研究、
國家“核高基”科技重大專項、中國科學院知識創新工程等項目10餘項。
出版專著3部，在國內外期刊和會議上發表論文70多篇，申請專利62件。
曾先後獲“中科院科技進步二等獎”“中科院院長獎學金特別獎”
“全國首屆優秀博士論文獎”“中國科學院第五屆優秀青年”
“中國科學院第七屆傑出青年”“全國青年五四獎章”等獎勵。

叢書序言
推薦序
第3版自序
第2版自序
前言
第一部分 引言
第1章 引言2
1.1 計算機體系結構的研究內容2
1.1.1 一以貫之2
1.1.2 什麼是計算機5
1.1.3 計算機的基本組成6
1.2 衡量計算機的指標9
1.2.1 計算機的性能9
1.2.2 計算機的價格11
1.2.3 計算機的功耗12
1.3 計算機體系結構的發展13
1.3.1 摩爾定律和工藝的發展15
1.3.2 計算機應用和體系結構19
1.3.3 計算機體系結構發展20
1.4 體系結構設計的基本原則22
1.4.1 平衡性22
1.4.2 局部性24
1.4.3 並行性24
1.4.4 虛擬化25
1.5 本章小結26
習題26

第二部分 指令系統結構
第2章 指令系統30
2.1 指令系統簡介30
2.2 指令系統設計原則30
2.3 指令系統發展歷程32
2.3.1 指令內容的演變32
2.3.2 存儲管理的演變34
2.3.3 運行級別的演變36
2.4 指令系統組成37
2.4.1 地址空間37
2.4.2 操作數39
2.4.3 指令操作和編碼41
2.5 RISC指令集比較43
2.5.1 指令格式比較43
2.5.2 尋址方式比較44
2.5.3 公共指令功能44
2.5.4 不同指令系統的特色46
2.6 C語言的機器表示47
2.6.1 過程調用48
2.6.2 流程控制語句49
2.7 本章小結52
習題52

第3章 特權指令系統53
3.1 特權指令系統簡介53
3.2 異常與中斷56
3.2.1 異常分類56
3.2.2 異常處理58
3.2.3 中斷60
3.3 存儲管理62
3.3.1 存儲管理的原理63
3.3.2 TLB的結構和使用64
3.3.3 TLB地址翻譯相關異常的處理70
3.4 本章小結73
習題74

第4章 軟硬件協同75
4.1 應用程序二進制接口75
4.1.1 寄存器約定76
4.1.2 函數調用約定78
4.1.3 進程虛擬地址空間82
4.1.4 棧幀佈局84
4.2 六種常見的上下文切換場景87
4.2.1 函數調用87
4.2.2 異常和中斷88
4.2.3 系統調用89
4.2.4 進程91
4.2.5 線程92
4.2.6 虛擬機93
4.2.7 六種上下文切換場景的對比94
4.3 同步機制94
4.3.1 基於互斥的同步機制95
4.3.2 非阻塞的同步機制96
4.4 本章小結97
習題97

第三部分 計算機硬件結構
第5章 計算機組成原理和結構100
5.1 馮·諾依曼結構100
5.2 計算機的組成部件101
5.2.1 運算器101
5.2.2 控制器103
5.2.3 存儲器105
5.2.4 輸入/輸出設備110
5.3 計算機系統硬件結構發展113
5.3.1 CPU-GPU-北橋-南橋四片結構113
5.3.2 CPU-北橋-南橋三片結構114
5.3.3 CPU-弱北橋-南橋三片結構114
5.3.4 CPU-南橋兩片結構115
5.3.5 SoC單片結構116
5.4 處理器和IO設備間的通信116
5.4.1 IO寄存器尋址117
5.4.2 處理器和IO設備之間的同步117
5.4.3 存儲器和IO設備之間的數據傳送119
5.4.4 龍芯3A3000+7A1000橋片系統中的CPU、GPU、DC通信120
5.5 本章小結122
習題122

第6章 計算機總線接口技術124
6.1 總線概述125
6.2 總線分類125
6.3 片上總線126
6.4 內存總線132
6.5 系統總線139
6.5.1 HyperTransport總線140
6.5.2 HT包格式143
6.6 設備總線145
6.6.1 PCIE總線145
6.6.2 PCIE包格式146
6.7 本章小結147
習題148

第7章 計算機系統啟動過程分析149
7.1 處理器核初始化149
7.1.1 處理器復位150
7.1.2 調試接口初始化152
7.1.3 TLB初始化156
7.1.4 Cache初始化157
7.2 總線接口初始化160
7.2.1 內存初始化160
7.2.2 IO總線初始化161
7.3 設備的探測及驅動加載162
7.4 多核啟動過程167
7.4.1 初始化時的多核協同167
7.4.2 操作系統啟動時的多核喚醒168
7.4.3 核間同步與通信169
7.5 本章小結170
習題170

第四部分 CPU微結構
第8章 運算器設計172
8.1 二進制與邏輯電路172
8.1.1 計算機中數的表示172
8.1.2 MOS晶體管工作原理178
8.1.3 CMOS邏輯電路180
8.2 簡單運算器設計188
8.2.1 定點補碼加法器188
8.2.2 減法運算實現193
8.2.3 比較運算實現194
8.2.4 移位器194
8.3 定點補碼乘法器195
8.3.1 補碼乘法器196
8.3.2 Booth乘法器198
8.3.3 華萊士樹202
8.4 本章小結206
習題206

第9章 指令流水線208
9.1 單週期處理器208
9.2 流水線處理器210
9.3 指令相關和流水線衝突213
9.3.1 數據相關引發的衝突及解決辦法214
9.3.2 控制相關引發的衝突及解決辦法216
9.3.3 結構相關引發的衝突及解決辦法219
9.4 流水線與異常處理219
9.5 提高流水線效率的技術220
9.5.1 多發射數據通路220
9.5.2 動態調度221
9.5.3 轉移預測225
9.5.4 高速緩存229
9.6 本章小結231
習題232

第五部分 並行處理結構
第10章 並行編程基礎236
10.1 程序的並行行為236
10.1.1 指令級並行性236
10.1.2 數據級並行性237
10.1.3 任務級並行性237
10.2 並行編程模型238
10.2.1 單任務數據並行模型…238
10.2.2 多任務共享存儲編程模型238
10.2.3 多任務消息傳遞編程模型239
10.2.4 共享存儲與消息傳遞編程模型的編程複雜度239
10.3 典型並行編程環境242
10.3.1 數據並行SIMD編程242
10.3.2 POSIX編程標準244
10.3.3 OpenMP標準247
10.3.4 MPI消息傳遞編程接口253
10.4 本章小結259
習題259

第11章 多核處理結構260
11.1 多核處理器的發展演化260
11.2 多核處理器的訪存結構263
11.2.1 通用多核處理器的片上Cache結構263
11.2.2 存儲一致性模型265
11.2.3 Cache一致性協議267
11.3 多核處理器的互連結構272
11.4 多核處理器的同步機制278
11.5 典型多核處理器282
11.5.1 龍芯3A5000處理器282
11.5.2 Intel SandyBridge架構…284
11.5.3 IBM Cell處理器286
11.5.4 NVIDIA GPU287
11.5.5 Tile64處理器289
11.6 本章小結289
習題291

第六部分 系統評價與性能分析
第12章 計算機系統評價和性能分析294
12.1 計算機系統性能評價指標294
12.1.1 計算機系統常用性能評價指標295
12.1.2 並行系統的性能評價指標299
12.2 測試程序集300
12.2.1 微基準測試程序301
12.2.2 SPEC CPU基準測試程序310
12.2.3 並行系統基準測試程序316
12.2.4 其他常見的基準測試程序集319
12.3 性能分析方法320
12.3.1 分析建模的方法322
12.3.2 模擬建模的方法和模擬器322
12.3.3 性能測量的方法325
12.4 性能測試和分析實例334
12.4.1 SPEC CPU基準測試程序的分值對比335
12.4.2 微結構相關統計數據338
12.4.3 基礎性能參數344
12.5 本章小結348
習題348
總結：什麼是計算機體系結構350
參考文獻359