計算機組成與設(shè)計李伯成完整版

這本最暢銷的計算機組成書籍經(jīng)過全面更新，本書采用了MIPS處理器來展示計算機硬件技術(shù)、匯編語言、計算機算術(shù)、流水線、存儲器層次結(jié)構(gòu)以及I/O等基本功能。

目錄

作者簡介

第1章　計算機概要與技術(shù)1

1.1　引言1

1.1.1　計算應(yīng)用的分類及其特性2

1.1.2　歡迎來到后PC時代3

1.1.3　你能從本書學(xué)到什么4

1.2　計算機系統(tǒng)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6

1.2.3　加速大概率事件6

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　存儲器層次7

1.2.8　通過冗余提高可靠性7

1.3　程序概念入門7

1.4　硬件概念入門10

1.4.1　顯示器11

1.4.2　觸摸屏12

1.4.3　打開機箱12

1.4.4　數(shù)據(jù)安全15

1.4.5　與其他計算機通信16

1.5　處理器和存儲器制造技術(shù)17

1.6　性能20

1.6.1　性能的定義20

1.6.2　性能的度量22

1.6.3　CPU性能及其因素23

1.6.4　指令的性能24

1.6.5　經(jīng)典的CPU性能公式25

1.7　功耗墻27

1.8　滄海巨變：從單處理器向多處理器轉(zhuǎn)變29

1.9　實例：Intel Core i7基準(zhǔn)31

1.9.1　SPEC CPU基準(zhǔn)測試程序31

1.9.2　SPEC功耗基準(zhǔn)測試程序32

1.10　謬誤與陷阱33

1.11　本章小結(jié)35

1.12　歷史觀點和拓展閱讀36

1.13　練習(xí)題36

第2章　指令：計算機的語言40

2.1　引言40

2.2　計算機硬件的操作43

2.3　計算機硬件的操作數(shù)44

2.3.1　存儲器操作數(shù)45

2.3.2　常數(shù)或立即數(shù)操作數(shù)47

2.4　有符號數(shù)和無符號數(shù)48

2.5　計算機中指令的表示53

2.6　邏輯操作58

2.7　決策指令60

2.7.1　循環(huán)61

2.7.2　case/switch語句63

2.8　計算機硬件對過程的支持64

2.8.1　使用更多的寄存器66

2.8.2　嵌套過程67

2.8.3　在棧中為新數(shù)據(jù)分配空間69

2.8.4　在堆中為新數(shù)據(jù)分配空間70

2.9　人機交互72

2.10　MIPS中32位立即數(shù)和尋址75

2.10.1　32位立即數(shù)75

2.10.2　分支和跳轉(zhuǎn)中的尋址76

2.10.3　MIPS尋址模式總結(jié)78

2.10.4　機器語言解碼79

2.11　并行與指令：同步81

2.12　翻譯并執(zhí)行程序83

2.12.1　編譯器83

2.12.2　匯編器84

2.12.3　鏈接器85

2.12.4　加載器87

2.12.5　動態(tài)鏈接庫87

2.12.6　啟動一個Java程序89

2.13　以一個C排序程序作為完整的例子90

2.13.1　swap過程90

2.13.2　sort過程91

2.14　數(shù)組與指針96

2.14.1　用數(shù)組實現(xiàn)clear96

2.14.2　用指針實現(xiàn)clear97

2.14.3　比較兩個版本的clear97

2.15　高級內(nèi)容：編譯C語言和解釋Java語言98

2.16　實例：ARMv7(32位)指令集98

2.16.1　尋址模式99

2.16.2　比較和條件分支100

2.16.3　ARM的特色100

2.17　實例：x86指令集102

2.17.1　Intel x86的改進(jìn)102

2.17.2　x86寄存器和數(shù)據(jù)尋址模式103

2.17.3　x86整數(shù)操作105

2.17.4　x86指令編碼107

2.17.5　x86總結(jié)108

2.18　實例：ARMv8（64位）指令集108

2.19　謬誤與陷阱109

2.20　本章小結(jié)110

2.21　歷史觀點和拓展閱讀111

2.22　練習(xí)題112

第3章　計算機的算術(shù)運算117

3.1　引言117

3.2　加法和減法117

3.3　乘法121

3.3.1　順序的乘法算法和硬件121

3.3.2　有符號乘法124

3.3.3　更快速的乘法124

3.3.4　MIPS中的乘法124

3.3.5　小結(jié)125

3.4　除法125

3.4.1　除法算法及其硬件結(jié)構(gòu)125

3.4.2　有符號除法128

3.4.3　更快速的除法128

3.4.4　MIPS中的除法129

3.4.5　小結(jié)129

3.5　浮點運算130

3.5.1　浮點表示131

3.5.2　浮點加法135

3.5.3　浮點乘法138

3.5.4　MIPS中的浮點指令139

3.5.5　算術(shù)精確性145

3.5.6　小結(jié)146

3.6　并行性和計算機算術(shù)：子字并行148

3.7　實例：x86中流處理SIMD擴(kuò)展和高級向量擴(kuò)展149

3.8　加速：子字并行和矩陣乘法150

3.9　謬誤與陷阱153

3.10　本章小結(jié)155

3.11　歷史觀點和拓展閱讀158

3.12　練習(xí)題159

第4章　處理器162

4.1　引言162

4.2　邏輯設(shè)計的一般方法165

4.3　建立數(shù)據(jù)通路167

4.4　一個簡單的實現(xiàn)機制173

4.4.1　ALU控制173

4.4.2　主控制單元的設(shè)計175

4.4.3　為什么不使用單周期實現(xiàn)方式181

4.5　流水線概述182

4.5.1　面向流水線的指令集設(shè)計186

4.5.2　流水線冒險186

4.5.3　對流水線概述的小結(jié)191

4.6　流水線數(shù)據(jù)通路及其控制192

4.6.1　圖形化表示的流水線200

4.6.2　流水線控制203

4.7　數(shù)據(jù)冒險：旁路與阻塞206

4.8　控制冒險214

4.8.1　假定分支不發(fā)生215

4.8.2　縮短分支的延遲215

4.8.3　動態(tài)分支預(yù)測216

4.8.4　流水線小結(jié)220

4.9　異常221

4.9.1　MIPS體系結(jié)構(gòu)中的異常處理221

4.9.2　在流水線實現(xiàn)中的異常222

4.10　指令級并行226

4.10.1　推測的概念227

4.10.2　靜態(tài)多發(fā)射處理器227

4.10.3　動態(tài)多發(fā)射處理器231

4.10.4　能耗效率與高級流水線233

4.11　實例：ARM Cortex-A8和Intel Core i7流水線234

4.11.1　ARM Cortex-A8235

4.11.2　Intel Core i7 920236

4.11.3　Intel Core i7 920的性能238

4.12　運行更快：指令級并行和矩陣乘法240

4.13　高級主題：通過硬件設(shè)計語言描述和建模流水線來介紹數(shù)字設(shè)計以及更多流水線示例242

4.14　謬誤與陷阱242

4.15　本章小結(jié)243

4.16　歷史觀點和拓展閱讀243

4.17　練習(xí)題243

第5章　大容量和高速度：開發(fā)存儲器層次結(jié)構(gòu)252

5.1　引言252

5.2　存儲器技術(shù)255

5.2.1　SRAM技術(shù)256

5.2.2　DRAM技術(shù)256

5.2.3　閃存258

5.2.4　磁盤存儲器258

5.3　cache的基本原理259

5.3.1　cache訪問261

5.3.2　cache缺失處理265

5.3.3　寫操作處理266

5.3.4　一個cache的例子:內(nèi)置FastMATH處理器267

5.3.5　小結(jié)269

5.4　cache性能的評估和改進(jìn)270

5.4.1　通過更靈活地放置塊來減少cache缺失272

5.4.2　在cache中查找一個塊275

5.4.3　替換塊的選擇276

5.4.4　使用多級cache結(jié)構(gòu)減少缺失代價277

5.4.5　通過分塊進(jìn)行軟件優(yōu)化280

5.4.6　小結(jié)283

5.5　可信存儲器層次283

5.5.1　失效的定義283

5.5.2　糾正一位錯、檢測兩位錯的漢明編碼（SEC/DED）284

5.6　虛擬機287

5.6.1　虛擬機監(jiān)視器的必備條件289

5.6.2　指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（缺乏）對虛擬機的支持289

5.6.3　保護(hù)和指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)289

5.7　虛擬存儲器290

5.7.1　頁的存放和查找293

5.7.2　缺頁故障294

5.7.3　關(guān)于寫297

5.7.4　加快地址轉(zhuǎn)換：TLB297

5.7.5　集成虛擬存儲器、TLB和cache 300

5.7.6　虛擬存儲器中的保護(hù)302

5.7.7　處理TLB缺失和缺頁303

5.7.8　小結(jié)307

5.8　存儲器層次結(jié)構(gòu)的一般框架309

5.8.1　問題1：一個塊可以被放在何處309

5.8.2　問題2：如何找到一個塊310

5.8.3　問題3：當(dāng)cache缺失時替換哪一塊311

5.8.4　問題4：寫操作如何處理311

5.8.5　3C：一種理解存儲器層次結(jié)構(gòu)行為的直觀模型312

5.9　使用有限狀態(tài)機來控制簡單的cache314

5.9.1　一個簡單的cache314

5.9.2　有限狀態(tài)機315

5.9.3　一個簡單的cache控制器的有限狀態(tài)機316

5.10　并行與存儲器層次結(jié)構(gòu)：cache一致性317

5.10.1　實現(xiàn)一致性的基本方案318

5.10.2　監(jiān)聽協(xié)議319

5.11　并行與存儲器層次結(jié)構(gòu)：冗余廉價磁盤陣列320

5.12　高級內(nèi)容：實現(xiàn)cache控制器320

5.13　實例：ARM Cortex-A8和Intel Core i7的存儲器層次結(jié)構(gòu)320

5.14　運行更快:cache分塊和矩陣乘法324

5.15　謬誤和陷阱326

5.16　本章小結(jié)329

5.17　歷史觀點和拓展閱讀329

5.18　練習(xí)題329

第6章　從客戶端到云的并行處理器340

6.1　引言340

6.2　創(chuàng)建并行處理程序的難點342

6.3　SISD、MIMD、SIMD、SPMD和向量機345

6.3.1　在x86中的SIMD：多媒體擴(kuò)展346

6.3.2　向量機346

6.3.3　向量與標(biāo)量的對比347

6.3.4　向量與多媒體擴(kuò)展的對比348

6.4　硬件多線程350

6.5　多核和其他共享內(nèi)存多處理器352

6.6　圖形處理單元簡介355

6.6.1　NVIDIA GPU體系結(jié)構(gòu)簡介356

6.6.2　NVIDIA GPU存儲結(jié)構(gòu)357

6.6.3　GPU展望358

6.7　集群、倉儲級計算機和其他消息傳遞多處理器360

6.8　多處理器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜喗?63

6.9　與外界通信：集群網(wǎng)絡(luò)366

6.10　多處理器測試集程序和性能模型366

6.10.1　性能模型368

6.10.2　Roofline模型369

6.10.3　兩代Opteron的比較370

6.11　實例：評測Intel Core i7 960和NVIDIA Tesla GPU的Roofline模型373

6.12　運行更快：多處理器和矩陣乘法376

6.13　謬誤與陷阱378

6.14　本章小結(jié)379

6.15　歷史觀點和拓展閱讀381

6.16　練習(xí)題382

附錄A　匯編器、鏈接器和SPIM仿真器389

附錄B　邏輯設(shè)計基礎(chǔ)437

計算機專業(yè)湖北哪個�？茖W(xué)校好？

說起計算機類專業(yè)，毫無疑問是當(dāng)下高考志愿填報的最大熱門之一。該類專業(yè)除了在就業(yè)端有極高的市場需求外，畢業(yè)生薪資待遇優(yōu)厚，尤其是名校畢業(yè)生，成了廣大考生和家長競相報考的重點參考因素。計算機類專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)情況在激烈的競爭當(dāng)中尤為突出——被認(rèn)為是“最有錢途”專業(yè)之一。

�？茖�業(yè)目錄中計算機是個大類，計算機專業(yè)類包括計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)、軟件技術(shù)等多個專業(yè)。其中，最核心、最基礎(chǔ)的專業(yè)就是計算機應(yīng)用技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是各院校計算機系招生的主要專業(yè)，也有很多院校按計算機大類招生。

武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院

國家優(yōu)質(zhì)專科高等職業(yè)院校、國家示范（骨干）高職院校、全國示范性軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院、高職高專人才培養(yǎng)工作水平評估“優(yōu)秀”院校。

國家軟件技術(shù)實訓(xùn)基地，教育部等六部委確定的“計算機應(yīng)用與軟件技術(shù)”、“汽車運用與維修”技能型緊缺人才培養(yǎng)培訓(xùn)基地，全國高職高專計算機類教育師資培訓(xùn)基地；是中國高職教育研究會授予的“高等職業(yè)教育國家職業(yè)資格教學(xué)改革試點院校”。

湖北師范大學(xué)文理學(xué)院

湖北師范大學(xué)文理學(xué)院是湖北師范大學(xué)下屬的一個二本院校，是經(jīng)教育部批準(zhǔn)成立，由湖北師范大學(xué)舉辦的具有獨立頒發(fā)學(xué)歷文憑資格，以本科層次教育為主含有�？茖�業(yè)的普通高等學(xué)校。該校計算機專業(yè)有多個方向，升本率高，就業(yè)面廣。

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院始于1972年創(chuàng)立的長江電訊技術(shù)學(xué)校，1978年12月，學(xué)校更名為武漢無線電工業(yè)學(xué)校，1999年，教育部正式批準(zhǔn)原武漢無線電工業(yè)學(xué)校和湖北省電子工業(yè)學(xué)校合并組建武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2010年，湖北省工業(yè)設(shè)計學(xué)校、湖北省一輕工業(yè)學(xué)校并入武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

目前，全國幾乎所有的高校都開設(shè)了計算機類專業(yè)，分布于不同層次，既有綜合型重點高校，也有普通院校，還有一些高職院校。該專業(yè)在各個高校培養(yǎng)特色和優(yōu)勢研究方向上都有很大不同。有的側(cè)重于軟件，有的側(cè)重于硬件，有的側(cè)重于計算機網(wǎng)絡(luò)，有的在信息安全方面頗具特色，方向的選擇可能直接影響未來的就業(yè)。

應(yīng)用廣泛、就業(yè)崗位多

計算機類專業(yè)應(yīng)用性廣、交叉面多，覆蓋社會各行各業(yè)，這就決定了就業(yè)領(lǐng)域非常廣泛。

在IT類企業(yè)中，該類專業(yè)畢業(yè)生的主要就業(yè)崗位有管理類：如項目經(jīng)理、軟件架構(gòu)師、硬件架構(gòu)師等;研發(fā)類：軟件工程師、硬件工程師、系統(tǒng)開發(fā)員等;測試類：軟件測試工程師、硬件測試工程師、系統(tǒng)測試工程師等;服務(wù)銷售類：市場營銷、售前服務(wù)、售后服務(wù)、市場推廣等。

近年來，軟件開發(fā)中心、數(shù)據(jù)中心等單位吸引了很多計算機類專業(yè)畢業(yè)生，主要從事企、事業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)與維護(hù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理等工作。

在政府、科研單位及其他非IT類企業(yè)中，軟硬件的配備、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)維護(hù)、網(wǎng)站開發(fā)等工作也離不開計算機專業(yè)的人才。

師范院校的計算機專業(yè)畢業(yè)生，可以到小學(xué)、中學(xué)等單位擔(dān)任計算機類課程的教學(xué)工作。

近年來，計算機同藝術(shù)類專業(yè)結(jié)合，產(chǎn)生了不少新專業(yè)，如電腦美術(shù)設(shè)計、網(wǎng)頁設(shè)計、影視動畫設(shè)計、環(huán)境藝術(shù)設(shè)計、數(shù)字媒體等。這些專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后可在設(shè)計部門、廣告公司、裝潢公司、網(wǎng)絡(luò)公司、軟件公司、動畫公司、企事業(yè)廣告部等從事美術(shù)設(shè)計策劃與制作、電腦繪畫、動畫制作、網(wǎng)頁設(shè)計等工作。

從近年錄取情況看，不同層次院校計算機專業(yè)錄取分?jǐn)?shù)差別很大。

計算機專業(yè)的學(xué)習(xí)壓力較大，想要學(xué)好這個專業(yè)，需要較強的數(shù)理基礎(chǔ)和外語基礎(chǔ)。在報考該專業(yè)時，考生要考慮清楚是否真正喜歡這個專業(yè)，不要盲目選擇。

二是在此分?jǐn)?shù)段中分?jǐn)?shù)較高的考生，一定要發(fā)揮分?jǐn)?shù)和學(xué)科的優(yōu)勢，選擇專業(yè)方向和興趣愛好相符合的院校;低分段的考生選擇余地相對較小，可結(jié)合自己的實際情況，參考?xì)v年錄取分?jǐn)?shù)綜合選擇。

報考這個專業(yè)的考生需要活躍的邏輯思維能力，所以它最適合數(shù)學(xué)成績好的考生報考。

以計算機類專業(yè)為例，各高校首選科目均為物理，大部分院校對再選科目不提要求，僅有部分院校再選科目要求為化學(xué)。