計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答

前言

就計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)而言，最有意思的一個(gè)方面是這個(gè)領(lǐng)域變化的速度，可以說(shuō)是日新月異，為從事這個(gè)領(lǐng)域的人們提供了大量機(jī)會(huì)。然而，對(duì)于教授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織的教師來(lái)說(shuō)，技術(shù)發(fā)展迅猛也是巨大的挑戰(zhàn)。與其他許多領(lǐng)域不同的是，每個(gè)學(xué)期這門課程都要有所變化才能跟上新技術(shù)的發(fā)展，而且不會(huì)讓學(xué)生負(fù)擔(dān)過(guò)重。同樣，編寫相關(guān)的教材也困難重重，因?yàn)樽髡弑仨氁谛屡f技術(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。本書考慮到以前接觸過(guò)這個(gè)領(lǐng)域的讀者的需求，對(duì)主題做了精心的選擇。第1～5章講解計(jì)算機(jī)組織的大量基本概念，包括性能量度方法、計(jì)算機(jī)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和程序的方式、計(jì)算機(jī)的不同編程模型，以及基本的處理器設(shè)計(jì)。第6章和第7章介紹流水線以及指令級(jí)并行性，對(duì)現(xiàn)代處理器性能而言，這兩種技術(shù)非常重要。第8～10章介紹內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)、Cache以及虛擬內(nèi)存。第11章講解：I／O系統(tǒng)。第12章介紹多處理器系統(tǒng)，也就是計(jì)算機(jī)中有多個(gè)處理器，以改進(jìn)性能。希望本書對(duì)讀者的學(xué)習(xí)有幫助。我盡可能清晰地解釋每個(gè)主題，同時(shí)避免陷入對(duì)細(xì)枝末節(jié)的糾纏。在本書如此短的篇幅，講述計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織的內(nèi)容無(wú)異于一場(chǎng)挑戰(zhàn)。讀者如果對(duì)主題選擇、課后習(xí)題以及其他方面有建議和意見，望不吝指教。

內(nèi)容概要

　　內(nèi)容實(shí)用而豐富《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》的最大特點(diǎn)是，通過(guò)大量豐富的示例和習(xí)題，并給出詳盡的答案解析，讓讀者全面透徹地理解概念，掌握每個(gè)知識(shí)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)培養(yǎng)自上而下系統(tǒng)分析和解決、司題的能力以及培養(yǎng)抽象思維能力，有著非常重要的作用《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》共分12章，系統(tǒng)介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)。

作者簡(jiǎn)介

作者：（美國(guó)）卡特（Nicholas Carter） 譯者：馬江濤 等

書籍目錄

第1章 概述1.1 本書學(xué)習(xí)目標(biāo)1.2 讀者知識(shí)背景1.3 本書主要內(nèi)容1.4 本章目標(biāo)1.5 技術(shù)趨勢(shì)1.6 性能量度1.6.1 MIPS1.6.2 CPI／IPC1.6.3 基準(zhǔn)測(cè)試套件1.6.4 幾何平均數(shù)與算術(shù)平均數(shù)1.7 加速比1.8 Amdahl定律1.9 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第2章 數(shù)據(jù)表示與計(jì)算機(jī)算術(shù)運(yùn)算2.1 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)2.2 從電子信號(hào)到位2.3 正整數(shù)的二進(jìn)制表示2.4 正整數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.4.1 加法和減法2.4.2 乘法2.4.3 除法2.4.4 上溢或下溢2.5 負(fù)整數(shù)2.5.1 原碼表示法2.5.2 二進(jìn)制補(bǔ)碼表示法2.5.3 符號(hào)擴(kuò)展2.6 浮點(diǎn)數(shù)2.6.1 非數(shù)字與非規(guī)格化數(shù)2.6.2 浮點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.7 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第3章 計(jì)算機(jī)組織3.1 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)3.2 本章導(dǎo)言3.3 程序程序開發(fā)工具3.4 操作系統(tǒng)3.4..1 多道程序設(shè)計(jì)3.4.2 保護(hù)3.4.3 特權(quán)模式3.5 計(jì)算機(jī)組織3.5.1 處理器3.5.2 內(nèi)存系統(tǒng)3.5.3 I／O子系統(tǒng)3.6 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第4章 編程模型4.1 本章目標(biāo)4.2 本章導(dǎo)言4.3 指令類型4.3.1 算術(shù)操作4.3.2 內(nèi)存操作4.3.3比較操作4.3.4 控制操作4.4 基于棧的體系結(jié)構(gòu)4.4.1 棧4.4.2 實(shí)現(xiàn)棧4.4.3 基于棧的體系結(jié)構(gòu)的指令4.4.4 基于棧的指令集4.4.5 基于棧的體系結(jié)構(gòu)中的程序4.5 通用寄存器體系結(jié)構(gòu)4.5.1 通用寄存器體系結(jié)構(gòu)中的指令4.5.2 GPR指令集4.5.3 通用寄存器體系結(jié)構(gòu)的程序4.6 比較基于棧的體系結(jié)構(gòu)與通用寄存器體系結(jié)構(gòu)4.7 利用棧實(shí)現(xiàn)過(guò)程調(diào)用調(diào)用約定4.8 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第5章 處理器設(shè)計(jì)5.1 本章目標(biāo)5.2 本章導(dǎo)言5.3 指令集體系結(jié)構(gòu)5.3.1 比較RISC與CISC5.3.2 尋址方式5.3.3 多媒體向量指令5.3.4 定長(zhǎng)指令編碼與變長(zhǎng)指令編碼5.4 處理器微體系結(jié)構(gòu)5.4.1 執(zhí)行單元5.4.2 微程序設(shè)計(jì)5.4.3 寄存器文件設(shè)計(jì)5.5 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第6章 流水線6.1 本章目標(biāo)6.2 本章導(dǎo)言6.3 流水線6.3.1 流水線處理器的周期時(shí)間6.3.2 流水線延時(shí)6.4 指令相關(guān)及其對(duì)吞吐率的影響6.4.1 轉(zhuǎn)移6.4.2 結(jié)構(gòu)相關(guān)6.4.3 記分板6.5 預(yù)測(cè)流水線處理器的執(zhí)行時(shí)間6.6 結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)(旁路)6.7 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第7章 指令級(jí)并行性7.1 本章目標(biāo)7.2 本章導(dǎo)言7.3 什么是指令級(jí)并行性7.4 指令級(jí)并行性的局限性7.5 超標(biāo)量處理器7.6 順序執(zhí)行與亂序執(zhí)行7.6.1 順序執(zhí)行處理器的執(zhí)行時(shí)間預(yù)測(cè)7.6.2 亂序執(zhí)行處理器的執(zhí)行時(shí)間預(yù)測(cè)7.6.3 亂序執(zhí)行處理器的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題7.7 寄存器重命名7.8 超長(zhǎng)指令字處理器超長(zhǎng)指令字的利弊7.9 指令級(jí)并行性的編譯技術(shù)7.9.1 循環(huán)展開7.9.2 軟件流水線方法7.10 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第8章 內(nèi)存系統(tǒng)8.1 本章目標(biāo)8.2 本章導(dǎo)言8.3 延時(shí)、吞吐率和帶寬流水線、并行性和預(yù)充電……第9章 Cache第10章 虛擬內(nèi)存第11章 輸入輸出第12章 多處理器

章節(jié)摘錄

插圖：3.2（1）機(jī)器語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言之間的區(qū)別是什么？（2）人們認(rèn)為匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言更容易編程的原因是什么？解析（1）機(jī)器語(yǔ)言指令是計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示各種運(yùn)算的位模式。匯編語(yǔ)言是更易于人們閱讀的機(jī)器語(yǔ)言版本，其中的每條指令都表示成能描述指令功能的一個(gè)文本字符串。（2）在使用匯編語(yǔ)言編程時(shí)，匯編程序負(fù)責(zé)將匯編語(yǔ)言指令轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言指令，而不是由人來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通常，與對(duì)機(jī)器語(yǔ)言指令進(jìn)行編碼的數(shù)字相比，表示匯編語(yǔ)言指令的文本字符串更易懂。此外，由于需要用匯編程序?qū)R編語(yǔ)言指令轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言指令，從而可減少生成每條指令的機(jī)器語(yǔ)言表示形式時(shí)出錯(cuò)的可能性。自修改程序3.3目前，自修改程序比它在早期計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用更少一些，原因何在。解析主要有兩個(gè)原因。首先，自修改代碼要比非自修改代碼更難調(diào)試，因?yàn)閳?zhí)行的程序不同于編寫的程序。計(jì)算機(jī)速度更快時(shí)，與調(diào)試難度不斷增大相比，自修改代碼的性能優(yōu)勢(shì)就不那么重要了。其次，在內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)降低了從自修改代碼中獲得的性能改進(jìn)。比較編譯程序與匯編程序3.4請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明，在程序的執(zhí)行時(shí)問(wèn)方面，編譯程序質(zhì)量對(duì)使用編譯程序開發(fā)的程序的影響，與匯編程序的質(zhì)量對(duì)使用匯編程序開發(fā)的程序影響相比，為什么前者的影響更大？解析通常，匯編語(yǔ)言指令與機(jī)器語(yǔ)言指令之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。匯編程序?qū)⒚織l匯編語(yǔ)言指令轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言的表示形式。匯編程序轉(zhuǎn)換正確時(shí)，生成的機(jī)器語(yǔ)言程序指令就與匯編語(yǔ)言源程序指令完全相同，只是編碼不同而已。匯編程序并沒(méi)有改變程序指令集，所以它對(duì)程序執(zhí)行時(shí)間沒(méi)有任何影響。對(duì)照來(lái)看，編譯程序確定匯編語(yǔ)言指令序列，這些指令執(zhí)行由高級(jí)語(yǔ)言程序指定的計(jì)算。由于編譯程序?yàn)槌绦騽?chuàng)建了匯編語(yǔ)言指令序列，因此編譯程序的質(zhì)量會(huì)對(duì)最終程序的執(zhí)行時(shí)間產(chǎn)生很大的影響。質(zhì)量低劣的編譯程序所創(chuàng)建的程序會(huì)做大量多余的工作，運(yùn)行速度較慢，高質(zhì)量的編譯程序能消除那些多余的工作，會(huì)有較好的性能。

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《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》是由清華大學(xué)出版社出版的。

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