现代计算机组成与体系结构 原书第2版

作为软件开发者、系统设计师或计算机体系结构专业的学生，在你试图学习数字设备体系结构的系统介绍时，是否被现代系统的复杂性搞得不知所措？本书借助实际示例和练习来教你理解现代计算机系统的工作原理。你将深入了解处理器内部直至电路级的行为，并理解硬件如何执行用高级语言开发的代码。
本书将教授计算机系统的基础知识，包括晶体管、逻辑门、时序逻辑和指令流水线。你将学习现代处理器体系结构及x86、x64、ARM和RISC-V等指令集的细节。你将了解如何在低成本FPGA开发板上实现RISC-V处理器，以及如何编写量子计算程序并在实际量子计算机上运行。
相较于上一版，本书增加了网络安全、区块链、比特币挖矿以及自动驾驶汽车等重要领域的体系结构和设计原理。
最后，你将全面理解现代处理器和计算机体系结构，以及这些技术可能的未来方向。

作为软件开发者、系统设计师或计算机体系结构专业的学生，在你试图学习数字设备体系结构的系统介绍时，是否被现代系统的复杂性搞得不知所措？本书借助实际示例和练习来教你理解现代计算机系统的工作原理。你将深入了解处理器内部直至电路级的行为，并理解硬件如何执行用高级语言开发的代码。本书将教授计算机系统的基础知识，包括晶体管、逻辑门、时序逻辑和指令流水线。你将学习现代处理器体系结构及x86、x64、ARM和RISC-V等指令集的细节。你将了解如何在低成本FPGA开发板上实现RISC-V处理器，以及如何编写量子计算程序并在实际量子计算机上运行。相较于上一版，本书增加了网络安全、区块链、比特币挖矿以及自动驾驶汽车等重要领域的体系结构和设计原理。最后，你将全面理解现代处理器和计算机体系结构，以及这些技术可能的未来方向。通过学习本书，你将：·理解晶体管技术和数字电路的基本原理。·探究流水线和超标量处理的底层概念。·在低成本FPGA上实现完整的RISC-V处理器。·了解实现虚拟机的技术。·学习金融交易处理等安全关键型计算应用。·快速掌握区块链及比特币挖矿中使用的硬件体系结构。·探索自动驾驶车辆计算体系结构的功能。·编写量子计算程序并在真实量子计算机上运行。

序

前言

作者简介

审校者简介

第1章 计算机体系结构简介

1.1 自动计算设备的发展

1.1.1 查尔斯·巴贝奇的分析机

1.1.2 ENIAC

1.1.3 IBM PC

1.1.4 iPhone

1.2 摩尔定律

1.3 计算机体系结构

1.3.1 使用电压电平表示数据值

1.3.2 二进制数和十六进制数

1.3.3 6502微处理器

1.3.4 6502指令集

1.4 总结

1.5 习题

第2章 数字逻辑

2.1 电路

2.2 晶体管

2.3 逻辑门

2.4 锁存器

2.5 触发器

2.6 寄存器

2.7 加法器

2.8 时钟

2.9 时序逻辑

2.10 硬件描述语言

2.11 总结

2.12 习题

第3章 处理器要素

3.1 一个简单的处理器

3.1.1 控制单元

3.1.2 算术逻辑单元

3.1.3 寄存器

3.2 指令集

3.3 寻址方式

3.3.1 立即寻址方式

3.3.2 绝对寻址方式

3.3.3 绝对索引寻址方式

3.3.4 间接索引寻址方式

3.4 指令类型

3.4.1 内存加载和存储指令

3.4.2 寄存器到寄存器的数据传输指令

3.4.3 栈指令

3.4.4 算术运算指令

3.4.5 逻辑运算指令

3.4.6 分支指令

3.4.7 子程序调用和返回指令

3.4.8 处理器标志指令

3.4.9 中断相关的指令

3.4.10 空操作指令

3.5 中断处理

3.5.1 IRQ处理

3.5.2 NMI处理

3.5.3 BRK指令处理

3.6 I/O操作

3.6.1 程序查询I/O

3.6.2 中断驱动I/O

3.6.3 直接内存访问

3.7 总结

3.8 习题

第4章 计算机系统组件

4.1 内存子系统

4.2 MOSFET简介

4.3 用MOSFET构建DRAM电路

4.3.1 电容器

4.3.2 DRAM位单元

4.3.3 DDR5 SDRAM

4.3.4 GDDR5

4.3.5 预取

4.4 I/O子系统

4.4.1 并行数据总线和串行数据总线

4.4.2 PCI Express

4.4.3 SATA

4.4.4 M.2

4.4.5 USB

4.4.6 Thunderbolt

4.5 图形显示

4.5.1 VGA

4.5.2 DVI

4.5.3 HDMI

4.5.4 DisplayPort

4.6 网络接口

4.6.1 以太网

4.6.2 Wi-Fi

4.7 键盘和鼠标

4.7.1 键盘

4.7.2 鼠标

4.8 现代计算机系统规格

4.9 总结

4.10 习题

第5章 硬件软件接口

5.1 设备驱动程序

5.1.1 并行端口

5.1.2 PCIe设备驱动程序

5.1.3 设备驱动程序结构

5.2 BIOS

5.3 引导过程

5.3.1 BIOS引导

5.3.2 UEFI引导

5.3.3 可信引导

5.3.4 嵌入式设备

5.4 操作系统

5.5 进程和线程

5.6 多处理

5.7 总结

5.8 习题

第6章 专用计算领域

6.1 实时计算

6.2 数字信号处理

6.2.1 ADC和DAC

6.2.2 DSP硬件特性

6.2.3 信号处理算法

6.3 GPU处理

6.4 专用体系结构示例

6.5 总结

6.6 习题

第7章 处理器和存储器体系结构

7.1 冯·诺伊曼体系结构、哈佛体系结构、改进型哈佛体系结构

7.1.1 冯·诺伊曼体系结构

7.1.2 哈佛体系结构

7.1.3 改进型哈佛体系结构

7.2 物理内存和虚拟内存

7.2.1 分页虚拟内存

7.2.2 页面状态位

7.2.3 内存池

7.3 内存管理单元

7.4 总结

7.5 习题

第8章 性能提升技术

8.1 高速缓存

8.1.1 多级处理器缓存

8.1.2 静态RAM

8.1.3 一级缓存

8.1.4 直接映射缓存

8.1.5 组相联缓存

8.1.6 全相联缓存

8.1.7 处理器缓存写策略

8.1.8 二级处理器缓存和三级处理器缓存

8.2 指令流水线

8.2.1 超流水线

8.2.2 流水线冒险

8.2.3 微操作和寄存器重命名

8.2.4 条件分支

8.3 同时多线程

8.4 SIMD处理

8.5 总结

8.6 习题

第9章 专用处理器扩展

9.1 处理器的特权模式

9.1.1 中断处理和异常处理

9.1.2 保护环

9.1.3 监管模式和用户模式

9.1.4 系统调用

9.2 浮点数运算

9.2.1 8087浮点协处理器

9.2.2 IEEE 754浮点数标准

9.3 功耗管理

9.4 系统安全管理

9.4.1 可信平台模块

9.4.2 网络攻击防御

9.5 总结

9.6 习题

第10章 现代处理器体系结构与指令集

10.1 x86体系结构与指令集

10.1.1 x86寄存器集

10.1.2 x86寻址方式

10.1.3 x86指令类别

10.1.4 x86指令格式

10.1.5 x86汇编语言

10.2 x64体系结构与指令集

10.2.1 x64寄存器集

10.2.2 x64指令类别与格式

10.2.3 x64汇编语言

10.3 32位ARM体系结构与指令集

10.3.1 ARM寄存器集

10.3.2 ARM寻址方式

10.3.3 ARM指令类别

10.3.4 32位ARM汇编语言

10.4 64位ARM体系结构与指令集

10.5 总结

10.6 习题

第11章 RISC-V体系结构与指令集

11.1 RISC-V体系结构与应用

11.2 RISC-V基础指令集

11.2.1 计算指令

11.2.2 控制流指令

11.2.3 访存指令

11.2.4 系统指令

11.2.5 伪指令

11.2.6 特权级

11.3 RISC-V扩展

11.3.1 M扩展

11.3.2 A扩展

11.3.3 C扩展

11.3.4 F扩展和D扩展

11.3.5 其他扩展

11.4 RISC-V变体

11.5 64位RISC-V

11.6 标准RISC-V配置

11.7 RISC-V汇编语言

11.8 在FPGA中实现RISC-V

11.9 总结

11.10 习题

第12章 处理器虚拟化

12.1 虚拟化介绍

12.1.1 虚拟化类型

12.1.2 处理器虚拟化的类型

12.2 虚拟化的挑战

12.2.1 不安全指令

12.2.2 影子页表

12.2.3 安全性

12.3 虚拟化现代处理器

12.3.1 x86处理器虚拟化

12.3.2 ARM处理器虚拟化

12.3.3 RISC-V处理器虚拟化

12.4 虚拟化工具

12.4.1 VirtualBox

12.4.2 VMware Workstation

12.4.3 VMware ESXi

12.4.4 KVM

12.4.5 Xen

12.4.6 QEMU

12.5 虚拟化与云计算

12.6 总结

12.7 习题

第13章 领域专用计算机体系结构

13.1 设计满足特定需求的计算机系统

13.2 智能手机体系结构

13.3 PC体系结构

13.4 仓储式计算体系结构

13.4.1 WSC硬件

13.4.2 基于机架的服务器

13.4.3 硬件故障管理

13.4.4 电力消耗

13.4.5 WSC作为多级信息缓存

13.4.6 部署云应用

13.5 神经网络与机器学习体系结构

13.6 总结

13.7 习题

第14章 网络安全与机密计算体系结构

14.1 网络安全威胁

14.1.1 网络安全威胁的分类

14.1.2 网络攻击技术

14.1.3 恶意软件的类型

14.1.4 利用漏洞的行为

14.2 安全硬件特性

14.2.1 确定需要保护的内容

14.2.2 预测攻击类型

14.2.3 安全系统设计的特征

14.3 机密计算

14.4 体系结构的安全性设计

14.4.1 通过隐蔽求安全

14.4.2 全面的安全设计

14.4.3 最小特权原则

14.4.4 零信任体系结构

14.5 确保系统和应用软件的安全

14.5.1 通用软件的弱点

14.5.2 源代码安全扫描

14.6 总结

14.7 习题

第15章 区块链及比特币挖矿体系结构

15.1 区块链和比特币简介

15.1.1 SHA-256哈希算法

15.1.2 计算SHA-256

15.1.3 比特币核心软件

15.2 比特币挖矿过程

15.2.1 比特币矿池

15.2.2 使用CPU挖矿

15.2.3 使用GPU挖矿

15.3 比特币挖矿计算机体系结构

15.3.1 使用FPGA挖矿

15.3.2 使用ASIC挖矿

15.3.3 比特币挖矿经济学

15.4 其他类型的加密货币

15.5 总结

15.6 习题

第16章 自动驾驶汽车体系结构

16.1 自动驾驶汽车概述

16.2 自动驾驶汽车的安全问题

16.3 自动驾驶汽车的硬件和软件需求

16.3.1 感知车辆状态和周围环境

16.3.2 感知环境

16.3.3 决策处理

16.4 自动驾驶汽车计算体系结构

16.5 总结

16.6 习题

第17章 量子计算和其他计算机体系结构的未来方向

17.1 计算机体系结构的发展历程

17.2 未来的发展趋势

17.2.1 重温摩尔定律

17.2.2 3D堆叠

17.2.3 提高设备的专用化程度

17.3 潜在的颠覆性技术

17.3.1 量子物理学

17.3.2 自旋电子学

17.3.3 量子计算

17.3.4 量子密码学

17.3.5 绝热量子计算

17.3.6 量子计算的未来

17.3.7 碳纳米管

17.4 培养适应未来的技能

17.4.1 持续学习

17.4.2 会议与期刊

17.5 总结

17.6 习题

习题答案

第1章习题答案

第2章习题答案

第3章习题答案

第4章习题答案

第5章习题答案

第6章习题答案

第7章习题答案

第8章习题答案

第9章习题答案

第10章习题答案

第11章习题答案

第12章习题答案

第13章习题答案

第14章习题答案

第15章习题答案

第16章习题答案

第17章习题答案