計算機組成與體系結構：性能設計（原書第11版）

目　錄
Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, Eleventh Edition
譯者序
前言
作者簡介
譯者簡介
第一部分　概述
第1章　基本概念與計算機演化　2
1.1　組成與體系結構　2
1.2　功能和結構　3
1.2.1　功能　3
1.2.2　結構　3
1.3　IAS計算機　8
1.4　邏輯門、存儲器位元、芯片和
　　多芯片模塊　12
1.4.1　邏輯門和存儲器位元　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體系結構的演化　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體系結構　21
1.7.1　ARM的演變　21
1.7.2　指令集體系結構　21
1.7.3　ARM產(chǎn)品　22
1.8　關鍵詞、思考題和習題　25
第2章　性能問題　28
2.1　性能設計　28
2.1.1　微處理器的速度　29
2.1.2　性能平衡　29
2.1.3　芯片組成和體系結構的改進　30
2.2　多核、MIC和GPGPU　32
2.3　阿姆達爾定律和利特爾法則　33
2.3.1　阿姆達爾定律　33
2.3.2　利特爾法則　34
2.4　計算機性能的基本指標　35
2.4.1　時鐘速度　36
2.4.2　指令執(zhí)行速度　36
2.5　計算平均值　37
2.5.1　算術平均值　39
2.5.2　調和平均值　39
2.5.3　幾何平均值　41
2.6　基準測試和SPEC　43
2.6.1　基準測試原則　43
2.6.2　SPEC基準測試　44
2.7　關鍵詞、思考題和習題　49
第二部分　計算機系統(tǒng)
第3章　計算機功能和互連的頂層視圖56
3.1　計算機的部件　56
3.2　計算機的功能　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　互連結構　68
3.4　總線互連　68
3.5　點對點互連　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物理和邏輯體系結構　74
3.6.2　PCIe物理層　75
3.6.3　PCIe事務處理層　76
3.6.4　PCIe數(shù)據(jù)鏈路層　78
3.7　關鍵詞、思考題和習題　79
第4章　存儲器層次結構：
　　　　局部性和性能 83
4.1　局部性原理　83
4.2　存儲系統(tǒng)的特性　87
4.3　存儲器層次結構　88
4.3.1　成本與性能特點　89
4.3.2　存儲器層次結構的典型構件　91
4.3.3　IBM z13存儲器層次結構 92
4.3.4　存儲器層次結構的設計原則　93
4.4　多級存儲器層次結構的性能建?！?3
4.4.1　兩級存儲器存取　93
4.4.2　多級存儲器存取　97
4.5　關鍵詞、思考題和習題　99
第5章　cache存儲器　102
5.1　cache存儲器的原理　102
5.2　cache的設計要素　105
5.2.1　cache地址　105
5.2.2　cache容量　106
5.2.3　邏輯cache的組織結構　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的時序模型　125
5.5.2　用于提高性能的設計選項　126
5.6　關鍵詞、思考題和習題　127
第6章　內(nèi)部存儲器　131
6.1　半導體主存儲器　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　多體交叉存儲器　138
6.2　糾錯　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結構　146
6.4.2　Intel Core系統(tǒng)的cache結構　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)存儲器技術 150
6.6.1　STT-RAM　151
6.6.2　PCRAM　 152
6.6.3　ReRAM　152
6.7　關鍵詞、思考題和習題　152
第7章　外部存儲器　156
7.1　磁盤　156
7.1.1　磁讀寫機制　 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　165
7.2.2　RAID 1級　167
7.2.3　RAID 2級　168
7.2.4　RAID 3級　168
7.2.5　RAID 4級　169
7.2.6　RAID 5級　169
7.2.7　RAID 6級　169
7.3　固態(tài)硬盤　171
7.3.1　固態(tài)硬盤與硬盤驅動器的比較 171
7.3.2　固態(tài)硬盤組織結構　171
7.3.3　實際問題　172
7.4　光存儲器　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　關鍵詞、思考題和習題　178
第8章　輸入/輸出　182
8.1　外部設備　182
8.1.1　鍵盤/監(jiān)視器　184
8.1.2　磁盤驅動器　184
8.2　I/O模塊　184
8.2.1　模塊功能　184
8.2.2　I/O模塊結構　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　中斷驅動式I/O　189
8.4.1　中斷處理　189
8.4.2　設計問題　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和中斷驅動式
　　　 I/O的缺點　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
　　　 cache的DMA　201
8.6.2　cache相關的性能問題　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　206
8.8　外部互連標準　207
8.8.1　通用串行總線　207
8.8.2　FireWire串行總線　208
8.8.3　小型計算機系統(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結構　210
8.9.1　通道結構　210
8.9.2　I/O系統(tǒng)組織結構　211
8.10　關鍵詞、思考題和習題　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)的目標與功能　217
9.1.2　操作系統(tǒng)的類型　219
9.2　調度　224
9.2.1　長期調度　225
9.2.2　中期調度　225
9.2.3　短期調度　225
9.3　存儲器管理　228
9.3.1　交換　228
9.3.2　分區(qū)　229
9.3.3　分頁　230
9.3.4　虛擬存儲器　232
9.3.5　快表　233
9.3.6　分段　235
9.4　Intel x86存儲器管理　235
9.4.1　地址空間　235
9.4.2　分段　236
9.4.3　分頁　238
9.5　ARM存儲器管理　239
9.5.1　存儲器系統(tǒng)組織　239
9.5.2　虛擬存儲器地址轉換　239
9.5.3　存儲器管理格式　240
9.5.4　存取控制　242
9.6　關鍵詞、思考題和習題　242
第三部分　算術與邏輯
第10章　數(shù)字系統(tǒng)　248
10.1　十進制系統(tǒng)　248
10.2　按位記數(shù)制系統(tǒng)　249
10.3　二進制系統(tǒng)　249
10.4　二進制數(shù)與十進制數(shù)的轉換　250
10.4.1　整數(shù)　250
10.4.2　小數(shù)　 251
10.5　十六進制表示法　252
10.6　關鍵詞和習題　254
第11章　計算機算術運算　256
11.1　算術邏輯單元　256
11.2　整數(shù)表示　257
11.2.1　符號-幅值表示法　257
11.2.2　二進制補碼表示法　258
11.2.3　范圍擴展　260
11.2.4　定點表示法　261
11.3　整數(shù)算術運算　261
11.3.1　取負　261
11.3.2　加法和減法　262
11.3.3　乘法　265
11.3.4　除法　270
11.4　浮點表示　273
11.4.1　原理　273
11.4.2　二進制浮點表示的
　　　　　　　IEEE標準　275
11.5　浮點算術運算　279
11.5.1　浮點加法和減法　280
11.5.2　浮點乘法和除法　281
11.5.3　精度考慮　282
11.5.4　二進制浮點算術運算的
　　　　IEEE標準　284
11.6　關鍵詞、思考題和習題　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)的實現(xiàn)　296
12.3.2　多路復用器　303
12.3.3　解碼器　304
12.3.4　只讀存儲器　305
12.3.5　加法器　306
12.4　時序電路　309
12.4.1　觸發(fā)器　309
12.4.2　寄存器　311
12.4.3　計數(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)場可編程門陣列　317
12.6　關鍵詞和習題　318
第四部分　指令集與匯編語言
第13章　指令集：特征和功能　324
13.1　機器指令特征　324
13.1.1　機器指令要素　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　指令集設計　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