計算機(jī)組成與設(shè)計：硬件-軟件接口（原書第5版·RISC-V版）

出版者的話
贊譽(yù)
譯者序
前言
作者簡介
第1章　計算機(jī)抽象及相關(guān)技術(shù) 1
1.1　引言 1
1.1.1　傳統(tǒng)的計算應(yīng)用分類及其特點 2
1.1.2　歡迎來到后PC時代 3
1.1.3　你能從本書中學(xué)到什么 4
1.2　計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的8個偉大思想 6
1.2.1　面向摩爾定律的設(shè)計 6
1.2.2　使用抽象簡化設(shè)計 7
1.2.3　加速經(jīng)常性事件 7
1.2.4　通過并行提高性能 7
1.2.5　通過流水線提高性能 7
1.2.6　通過預(yù)測提高性能 7
1.2.7　存儲層次 7
1.2.8　通過冗余提高可靠性 7
1.3　程序表象之下 8
1.4　箱蓋后的硬件 10
1.4.1　顯示器 11
1.4.2　觸摸屏 12
1.4.3　打開機(jī)箱 13
1.4.4　數(shù)據(jù)安全 16
1.4.5　與其他計算機(jī)通信 16
1.5　處理器和存儲制造技術(shù) 17
1.6　性能 20
1.6.1　性能的定義 21
1.6.2　性能的度量 23
1.6.3　CPU性能及其度量因素 24
1.6.4　指令性能 25
1.6.5　經(jīng)典的CPU性能公式 26
1.7　功耗墻 28
1.8　滄海巨變：從單處理器向多處理器轉(zhuǎn)變 30
1.9　實例：評測Intel Core i7 32
1.9.1　SPEC CPU基準(zhǔn)評測程序 33
1.9.2　SPEC功耗基準(zhǔn)評測程序 34
1.10　謬誤與陷阱 35
1.11　本章小結(jié) 37
1.12　歷史視角和拓展閱讀 38
1.13　練習(xí) 38
第2章　指令：計算機(jī)的語言 43
2.1　引言 43
2.2　計算機(jī)硬件的操作 45
2.3　計算機(jī)硬件的操作數(shù) 47
2.3.1　存儲器操作數(shù) 48
2.3.2　常數(shù)或立即數(shù)操作數(shù) 51
2.4　有符號數(shù)與無符號數(shù) 52
2.5　計算機(jī)中的指令表示 57
2.6　邏輯操作 62
2.7　用于決策的指令 65
2.7.1　循環(huán) 66
2.7.2　邊界檢查的簡便方法 67
2.7.3　case/switch語句 68
2.8　計算機(jī)硬件對過程的支持 68
2.8.1　使用更多的寄存器 69
2.8.2　嵌套過程 71
2.8.3　在棧中為新數(shù)據(jù)分配空間 73
2.8.4　在堆中為新數(shù)據(jù)分配空間 74
2.9　人機(jī)交互 76
2.10　對大立即數(shù)的RISC-V編址和尋址 79
2.10.1　大立即數(shù) 79
2.10.2　分支中的尋址 80
2.10.3　RISC-V尋址模式總結(jié) 82
2.10.4　機(jī)器語言譯碼 83
2.11 　指令與并行性：同步 85
2.12　翻譯并啟動程序 87
2.12.1　編譯器 87
2.12.2　匯編器 87
2.12.3　鏈接器 89
2.12.4　加載器 91
2.12.5　動態(tài)鏈接庫 91
2.12.6　啟動Java程序 93
2.13　以C排序程序為例的匯總整理 94
2.13.1　swap過程 94
2.13.2　sort過程 95
2.14　數(shù)組與指針 100
2.14.1　用數(shù)組實現(xiàn)clear 100
2.14.2　用指針實現(xiàn)clear 101
2.14.3　比較兩個版本的clear 102
2.15　高級專題：編譯C語言和解釋Java語言 102
2.16　實例：MIPS指令 103
2.17　實例：x86指令 104
2.17.1　Intel x86的演變 104
2.17.2　x86寄存器和尋址模式 106
2.17.3　x86整數(shù)操作 107
2.17.4　x86指令編碼 109
2.17.5　x86總結(jié) 110
2.18　實例：RISC-V指令系統(tǒng)的剩余部分 111
2.19　謬誤與陷阱 112
2.20　本章小結(jié) 113
2.21　歷史視角和擴(kuò)展閱讀 115
2.22　練習(xí) 115
第3章　計算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算 121
3.1　引言 121
3.2　加法和減法 121
3.3　乘法 124
3.3.1　串行版的乘法算法及其硬件實現(xiàn) 124
3.3.2　帶符號乘法 127
3.3.3　快速乘法 127
3.3.4　RISC-V中的乘法 127
3.3.5　總結(jié) 128
3.4　除法 128
3.4.1　除法算法及其硬件實現(xiàn) 128
3.4.2　有符號除法 131
3.4.3　快速除法 131
3.4.4　RISC-V中的除法 132
3.4.5　總結(jié) 132
3.5　浮點運(yùn)算 133
3.5.1　浮點表示 134
3.5.2　例外和中斷 135
3.5.3　IEEE 754浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn) 135
3.5.4　浮點加法 138
3.5.5　浮點乘法 141
3.5.6　RISC-V中的浮點指令 144
3.5.7　精確算術(shù) 148
3.5.8　總結(jié) 150
3.6　并行性與計算機(jī)算術(shù)：子字并行 151
3.7　實例：x86中的SIMD擴(kuò)展和高級向量擴(kuò)展 151
3.8　加速：子字并行和矩陣乘法 153
3.9　謬誤與陷阱 155
3.10　本章小結(jié) 158
3.11　歷史視角和拓展閱讀 159
3.12　練習(xí) 159
第4章　處理器 163
4.1　引言 163
4.1.1　一種基本的RISC-V實現(xiàn) 164
4.1.2　實現(xiàn)概述 164
4.2　邏輯設(shè)計的一般方法 166
4.3　建立數(shù)據(jù)通路 169
4.4　一個簡單的實現(xiàn)方案 175
4.4.1　ALU控制 175
4.4.2　設(shè)計主控制單元 176
4.4.3　數(shù)據(jù)通路操作 180
4.4.4　控制的結(jié)束 182
4.4.5　為什么現(xiàn)在不使用單周期實現(xiàn) 182
4.5　流水線概述 183
4.5.1　面向流水線的指令系統(tǒng)設(shè)計 187
4.5.2　流水線冒險 187
4.5.3　總結(jié) 193
4.6　流水線數(shù)據(jù)通路和控制 194
4.6.1　流水線的圖形化表示 203
4.6.2　流水線控制 205
4.7　數(shù)據(jù)冒險：前遞與停頓 208
4.8　控制冒險 218
4.8.1　假設(shè)分支不發(fā)生 218
4.8.2　縮短分支延遲 219
4.8.3　動態(tài)分支預(yù)測 221
4.8.4　流水線總結(jié) 223
4.9　例外 223
4.9.1　RISC-V體系結(jié)構(gòu)中如何處理例外 224
4.9.2　流水線實現(xiàn)中的例外 225
4.10　指令間的并行性 228
4.10.1　推測的概念 229
4.10.2　靜態(tài)多發(fā)射 230
4.10.3　動態(tài)多發(fā)射處理器 234
4.10.4　高級流水線和能效 237
4.11　實例：ARM Cortex-A53和Intel Core i7流水線結(jié)構(gòu) 238
4.11.1　ARM Cortex-A53 238
4.11.2　Intel Core i7 920 240
4.11.3　Intel Core i7處理器的性能 242
4.12　加速：指令級并行和矩陣乘法 243
4.13　高級專題：數(shù)字設(shè)計概述——使用硬件設(shè)計語言進(jìn)行流水線建模以及更多流水線示例 246
4.14　謬誤與陷阱 246
4.15　本章小結(jié) 247
4.16　歷史視角和拓展閱讀 247
4.17　練習(xí) 247
第5章　大而快：層次化存儲 258
5.1　引言 258
5.2　存儲技術(shù) 262
5.2.1　SRAM存儲技術(shù) 262
5.2.2　DRAM存儲技術(shù) 262
5.2.3　閃存 264
5.2.4　磁盤 264
5.3　cache基礎(chǔ) 266
5.3.1　cache訪問 268
5.3.2　處理cache失效 272
5.3.3　處理寫操作 273
5.3.4　cache實例：Intrinsity FastMATH處理器 275
5.3.5　總結(jié) 276
5.4　cache的性能評估和改進(jìn) 277
5.4.1　使用更為靈活的替換策略降低cache失效率 279
5.4.2　在cache中查找數(shù)據(jù)塊 283
5.4.3　選擇替換的數(shù)據(jù)塊 284
5.4.4　使用多級cache減少失效代價 285
5.4.5　通過分塊進(jìn)行軟件優(yōu)化 287
5.4.6　總結(jié) 291
5.5　可靠的存儲器層次 291
5.5.1　失效的定義 291
5.5.2　糾正1位錯、檢測2位錯的漢明編碼 293
5.6　虛擬機(jī) 296
5.6.1　虛擬機(jī)監(jiān)視器的必備條件 297
5.6.2　指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（缺乏）對虛擬機(jī)的支持 297
5.6.3　保護(hù)和指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 298
5.7　虛擬存儲 298
5.7.1　頁的存放和查找 301
5.7.2　缺頁失效 303
5.7.3　支持大虛擬地址空間的虛擬存儲 304
5.7.4　關(guān)于寫 305
5.7.5　加快地址轉(zhuǎn)換：TLB 306
5.7.6　Intrinsity FastMATH TLB 307
5.7.7　集成虛擬存儲、TLB和cache 309
5.7.8　虛擬存儲中的保護(hù) 311
5.7.9　處理TLB失效和缺頁失效 312
5.7.10　總結(jié) 314
5.8　存儲層次結(jié)構(gòu)的一般框架 315
5.8.1　問題一：塊可以被放在何處 315
5.8.2　問題二：如何找到塊 316
5.8.3　問題三：當(dāng)cache發(fā)生失效時替換哪一塊 317
5.8.4　問題四：寫操作如何處理 317
5.8.5　3C：一種理解存儲層次結(jié)構(gòu)的直觀模型 318
5.9　使用有限狀態(tài)自動機(jī)控制簡單的cache 320
5.9.1　一個簡單的cache 320
5.9.2　有限狀態(tài)自動機(jī) 321
5.9.3　使用有限狀態(tài)自動機(jī)作為簡單的cache控制器 322
5.10　并行和存儲層次結(jié)構(gòu)：cache一致性 324
5.10.1　實現(xiàn)一致性的基本方案 325
5.10.2　監(jiān)聽協(xié)議 325
5.11　并行與存儲層次結(jié)構(gòu)：廉價磁盤冗余陣列 327
5.12　高級專題：實現(xiàn)緩存控制器 327
5.13　實例：ARM Cortex-A53和Intel Core i7的存儲層次結(jié)構(gòu) 327
5.14　實例：RISC-V系統(tǒng)的其他部分和特殊指令 331
5.15　加速：cache分塊和矩陣乘法 331
5.16　謬誤與陷阱 333
5.17　本章小結(jié) 336
5.18　歷史視角和拓展閱讀 337
5.19　練習(xí) 337
第6章　并行處理器：從客戶端到云 348
6.1　引言 348
6.2　創(chuàng)建并行處理程序的難點 350
6.3　SISD、MIMD、SIMD、SPMD和向量機(jī) 354
6.3.1　x86中的SIMD：多媒體擴(kuò)展 355
6.3.2　向量機(jī) 355
6.3.3　向量與標(biāo)量 356
6.3.4　向量與多媒體擴(kuò)展 357
6.4　硬件多線程 359
6.5　多核及其他共享內(nèi)存多處理器 362
6.6　GPU簡介 365
6.6.1　NVIDIA GPU體系結(jié)構(gòu)簡介 366
6.6.2　NVIDIA GPU存儲結(jié)構(gòu) 367
6.6.3　對GPU的展望 368
6.7　集群、倉儲級計算機(jī)和其他消息傳遞多處理器 370
6.8　多處理器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜喗? 374
6.9　與外界通信：集群網(wǎng)絡(luò) 376
6.10　多處理器測試基準(zhǔn)和性能模型 377
6.10.1　性能模型 379
6.10.2　Roofline模型 380
6.10.3　兩代Opteron的比較 381
6.11　實例：評測Intel Core i7 960 和NVIDIA Tesla GPU的Roofline模型 384
6.12　加速：多處理器和矩陣乘法 388
6.13　謬誤與陷阱 390
6.14　本章小結(jié) 391
6.15　歷史視角和拓展閱讀 393
6.16　練習(xí) 394
附錄A　邏輯設(shè)計基礎(chǔ) 402
術(shù)語表 460
網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容
附錄B　圖形處理單元
附錄C　將控制映射至硬件
附錄D　精簡指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)
擴(kuò)展閱讀