计算机体系结构基础 第2版

本书由国内从事微处理器设计的一线科研人员编写而成，为培养“造计算机”的人才探索广受欢迎的本科教育方法。作者从微处理器设计的角度出发，充分考虑计算机体系结构的学科完整性，强调体系结构、基础软件、电路和器件的融会贯通。全书包括指令系统结构、计算机硬件结构、CPU微结构、并行处理结构、计算机性能分析等主要内容，重点放在作为软硬件界面的指令系统结构，以及包含CPU、GPU、南北桥协同的计算机硬件结构上。

本书可作为高等学校“计算机体系结构”课程的本科生教材，同时也适合相关专业研究生或计算机技术人员参考阅读。

丛书序言

推荐序 

自序 

前言

部分 引言 

第1章 引言2 

1.1 计算机体系结构的研究内容2

1.1.1 一以贯之2

1.1.2 什么是计算机5

1.1.3 计算机的基本组成6

1.2 衡量计算机的指标8

1.2.1 计算机的性能8

1.2.2 计算机的价格10

1.2.3 计算机的功耗11

1.3 计算机体系结构的发展12

1.3.1 摩尔定律和工艺的发展13

1.3.2 计算机应用和体系结构17

1.3.3 计算机体系结构发展18

1.4 体系结构设计的基本原则20

1.4.1 平衡性20

1.4.2 局部性21

1.4.3 并行性22

1.4.4 虚拟化23

1.5 本章小结24

习题24

第二部分 指令系统结构

第2章 指令系统26

2.1 指令系统简介26

2.2 指令系统设计原则26

2.3 指令系统发展历程28

2.3.1 指令集的演变28

2.3.2 存储管理的演变29

2.3.3 运行级别的演变30

2.4 指令集结构32

2.4.1 地址空间32

2.4.2 操作数34

2.4.3 指令操作和编码35

2.5 RISC指令集比较36

2.5.1 指令格式比较36

2.5.2 寻址方式比较36

2.5.3 公共指令功能37

2.5.4 不同指令系统的特色39

2.6 C语言的机器表示40

2.6.1 过程调用40

2.6.2 流程控制语句41

2.7 本章小结43

习题44

第3章 特权指令系统45

3.1 特权指令系统简介45

3.2 异常与中断47

3.2.1 异常分类47

3.2.2 异常处理47

3.2.3 中断49

3.3 存储管理51

3.3.1 存储管理的原理51

3.3.2 TLB的结构和使用53

3.3.3 TLB异常的处理55

3.4 本章小结60

习题60

第4章 软硬件协同62

4.1 函数调用规范62

4.1.1 MIPS ABI整数寄存器约定62

4.1.2 MIPS ABI函数调用约定63

4.1.3 MIPS堆栈布局64

4.2 中断的生命周期66

4.3 系统调用过程67

4.4 同步与通信68

4.4.1 基于互斥的同步机制68

4.4.2 非阻塞的同步机制69

4.5 本章小结69

习题70X

三部分 计算机硬件结构

第5章 计算机组成原理和结构72

5.1 冯·诺依曼结构72

5.2 计算机的组成部件73

5.2.1 运算器73

5.2.2 控制器74

5.2.3 存储器76

5.2.4 输入/输出设备81

5.3 计算机系统硬件结构发展83

5.3.1 CPU-GPU-北桥-南桥四片结构84

5.3.2 CPU-北桥-南桥三片结构84

5.3.3 CPU-弱北桥-南桥三片结构85

5.3.4 CPU-南桥两片结构85

5.3.5 SoC单片结构86

5.4 处理器和IO设备间的通信86

5.4.1 IO寄存器寻址86

5.4.2 处理器和IO设备之间的同步87

5.4.3 存储器和IO设备之间的数据传送88

5.4.4 龙芯3A3000 7A1000桥片系统中的CPU、GPU、DC通信90

5.5 本章小结91

习题91

第6章 计算机总线接口技术93

6.1 总线概述93

6.2 总线分类94

6.3 片上总线95

6.4 内存总线100

6.5 系统总线107

6.5.1 HyperTransport总线107

6.5.2 HT包格式110

6.6 设备总线111

6.6.1 PCIE总线112

6.6.2 PCIE包格式113

6.7 本章小结113

习题114

第7章 计算机系统启动过程分析115

7.1 处理器核初始化115

7.1.1 处理器复位116

7.1.2 调试接口初始化117

7.1.3 TLB初始化119

7.1.4 Cache初始化120

7.2 总线接口初始化122

7.2.1 内存初始化123

7.2.2 IO总线初始化123

7.3 设备的探测及驱动加载124

7.4 多核启动过程129

7.4.1 初始化时的多核协同129

7.4.2 操作系统启动时的

多核唤醒130

7.4.3 核间同步与通信131

7.5 本章小结132

习题132