計算機體系結構精髓(原書第2版)（簡體書）

本書是計算機體系結構的入門教材，從程序員的視角展開討論，重點介紹基礎知識和概念，不深入底層技術的細節。這種視角旨在幫助程序員新手和計算機專業新生理解體系結構對編程的影響，書中濃縮的核心知識點涵蓋了程序員需要掌握的所有硬件層面，從而有利於其更好地進行軟件的設計、實現和運維。本書分為五個部分，包括數字邏輯、門和數據通路的基礎知識，以及體系結構的三個主要方面――處理器、內存和I/O系統。此外，書中還涉及並行、流水線、能源和性能等高級主題，以及一個動手操作的實驗。第2版共包含了三個全新的章節，並在整體上進行了與時俱進的修訂。

道格拉斯‧科莫，世界知名的計算機網絡和TCP/IP專家，普渡大學計算機科學傑出教授，ACM會士。

出版者的話
譯者序
前言
關於作者
第1章 簡介及概覽 1
1.1 體系結構的重要性 1
1.2 學習基礎知識 1
1.3 本書結構 1
1.4 一筆帶過的內容 2
1.5 術語：體系結構和設計 2
1.6 小結 2
第一部分 基礎知識
第2章 數字邏輯基礎 4
2.1 引言 4
2.2 數字計算裝置 4
2.3 電氣術語：電壓和電流 4
2.4 晶體管 5
2.5 邏輯門 5
2.6 使用晶體管實現的“與非”邏輯門電路 7
2.7 表示邏輯門的符號 8
2.8 邏輯門互連的例子 8
2.9 實現二進制加法的數字電路 10
2.10 多邏輯門的集成電路 10
2.11 不只需要組合邏輯電路 11
2.12 維持狀態的電路 11
2.13 傳播延遲 12
2.14 使用鎖存器構建存儲器 12
2.15 觸發器和波形圖 13
2.16 二進制計數器 14
2.17 時鐘和時序 15
2.18 反饋的重要概念 17
2.19 啟動序列 18
2.20 軟件迭代與硬件複製 18
2.21 門和芯片的最簡化 19
2.22 使用閒置門 19
2.23 配電和散熱 20
2.24 時序和時鐘域 20
2.25 無時鐘邏輯 21
2.26 電路規模和摩爾定律 21
2.27 電路板和層 22
2.28 抽象層次 23
2.29 小結 23
習題 23
第3章 數據和程序的表示 25
3.1 引言 25
3.2 數字邏輯與抽象的重要性 25
3.3 位和字節的定義 25
3.4 字節大小和可能的值 25
3.5 二進制位權表示法 26
3.6 位序 27
3.7 十六進制記法 28
3.8 十六進制和二進制常數記法 29
3.9 字符集 29
3.10 Unicode 30
3.11 無符號整數、溢出和下溢 30
3.12 給位和字節編號 31
3.13 有符號二進制整數 31
3.14 一個補碼數字的例子 32
3.15 符號擴展 33
3.16 浮點數 33
3.17 IEEE浮點值的範圍 34
3.18 特殊值 35
3.19 二進制編碼的十進制表示 35
3.20 有符號數、分數和壓縮BCD表示法 36
3.21 數據聚合 36
3.22 程序的表示 37
3.23 小結 37
習題 37
第二部分 處理器
第4章 處理器和計算引擎的多樣性 40
4.1 引言 40
4.2 兩種基本的體系結構 40
4.3 哈佛與馮·諾依曼體系結構 40
4.4 處理器的定義 41
4.5 處理器的範圍 41
4.6 分層結構和計算引擎 42
4.7 傳統處理器的結構 43
4.8 處理器的分類和角色 44
4.9 處理器技術 44
4.10 存儲程序 45
4.11 取指–執行週期 45
4.12 程序轉換 46
4.13 時鐘速率和指令速率 46
4.14 控制：啟動和停止 47
4.15 啟動取指–執行週期 47
4.16 小結 48
習題 48
第5章 處理器類型和指令集 49
5.1 引言 49
5.2 數學能力、便利性和成本 49
5.3 指令集架構 49
5.4 操作碼、操作數和結果 50
5.5 典型的指令格式 50
5.6 可變長度指令與固定長度指令 50
5.7 通用寄存器 51
5.8 浮點寄存器和寄存器標識 51
5.9 使用寄存器編程 51
5.10 寄存器存儲體 52
5.11 複雜指令集和精簡指令集 53
5.12 RISC設計和執行流水線 53
5.13 流水線和指令延遲 54
5.14 引起流水線停頓的其他原因 55
5.15 對程序員的影響 56
5.16 編程、停頓和無操作指令 56
5.17 轉發 56
5.18 操作類型 57
5.19 程序計數器、取指–執行以及分支 57
5.20 子程序調用、參數以及寄存器窗口 58
5.21 一個示例指令集 59
5.22 極簡化的指令集 61
5.23 正交性原則 61
5.24 條件碼和條件分支 62
5.25 小結 62
習題 62
第6章 數據通路和指令執行 64
6.1 引言 64
6.2 數據通路 64
6.3 示例指令集 64
6.4 內存中的指令 66
6.5 移到下一條指令 67
6.6 取指令 68
6.7 解碼指令 69
6.8 連接到寄存器單元 69
6.9 控制和協調 70
6.10 算術運算和複用 70
6.11 涉及存儲器中數據的操作 71
6.12 執行過程的示例 72
6.13 小結 73
習題 73
第7章 操作數尋址和指令表示 75
7.1 引言 75
7.2 零、一、二或三地址設計 75
7.3 每指令零操作數 75
7.4 每指令單操作數 76
7.5 每指令兩操作數 76
7.6 每指令三操作數 77
7.7 操作數來源和立即數 77
7.8 馮·諾依曼體系結構的瓶頸 77
7.9 顯式和隱式操作數編碼 78
7.10 組合多個值的操作數 79
7.11 權衡操作數的選擇 79
7.12 內存中的值和間接引用 80
7.13 操作數尋址模式的示例 80
7.14 小結 81
習題81
第8章 CPU：微碼、保護和處理器模式 83
8.1 引言 83
8.2 中央處理器 83
8.3 CPU的複雜性 83
8.4 執行模式 84
8.5 向後兼容性 84
8.6 改變模式 84
8.7 特權和保護 85
8.8 多級保護 85
8.9 微碼指令 86
8.10 微碼變體 87
8.11 微碼的優勢 87
8.12 FPGA和指令集的改變 88
8.13 垂直微碼 88
8.14 水平微碼 88
8.15 水平微碼的例子 89
8.16 水平微碼程序示例 91
8.17 需要多個週期的操作 91
8.18 水平微碼和並行執行 92
8.19 前瞻性和高性能執行 92
8.20 並行和執行順序 93
8.21 亂序指令執行 93
8.22 條件分支和分支預測 94