計算機體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答

前言

就計算機體系結(jié)構(gòu)而言，最有意思的一個方面是這個領(lǐng)域變化的速度，可以說是日新月異，為從事這個領(lǐng)域的人們提供了大量機會。然而，對于教授計算機體系結(jié)構(gòu)和組織的教師來說，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，而且不會讓學(xué)生負擔(dān)過重。同樣，編寫相關(guān)的教材也困難重重，因為作者必須要在新舊技術(shù)之間進行權(quán)衡。本書考慮到以前接觸過這個領(lǐng)域的讀者的需求，對主題做了精心的選擇。第1～5章講解計算機組織的大量基本概念，包括性能量度方法、計算機表示數(shù)字數(shù)據(jù)和程序的方式、計算機的不同編程模型，以及基本的處理器設(shè)計。第6章和第7章介紹流水線以及指令級并行性，對現(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，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)，也就是計算機中有多個處理器，以改進性能。希望本書對讀者的學(xué)習(xí)有幫助。我盡可能清晰地解釋每個主題，同時避免陷入對細枝末節(jié)的糾纏。在本書如此短的篇幅，講述計算機體系結(jié)構(gòu)和組織的內(nèi)容無異于一場挑戰(zhàn)。讀者如果對主題選擇、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)容實用而豐富《計算機體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》的最大特點是，通過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，掌握每個知識點。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機及相關(guān)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它強調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng)，對培養(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《計算機體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》共分12章，系統(tǒng)介紹計算機體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識。

作者簡介

作者：（美國）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1.6 性能量度1.6.1 MIPS1.6.2 CPI／IPC1.6.3 基準(zhǔn)測試套件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)表示與計算機算術(shù)運算2.1 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)2.2 從電子信號到位2.3 正整數(shù)的二進制表示2.4 正整數(shù)的算術(shù)運算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 負整數(shù)2.5.1 原碼表示法2.5.2 二進制補碼表示法2.5.3 符號擴展2.6 浮點數(shù)2.6.1 非數(shù)字與非規(guī)格化數(shù)2.6.2 浮點數(shù)的算術(shù)運算2.7 本章小結(jié)本章習(xí)題與解析第3章 計算機組織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3.4.2 保護3.4.3 特權(quán)模式3.5 計算機組織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 利用棧實現(xiàn)過程調(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 定長指令編碼與變長指令編碼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5.4.3 寄存器文件設(shè)計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間6.3.2 流水線延時6.4 指令相關(guān)及其對吞吐率的影響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)測流水線處理器的執(zhí)行時間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 什么是指令級并行性7.4 指令級并行性的局限性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)行時間預(yù)測7.6.2 亂序執(zhí)行處理器的執(zhí)行時間預(yù)測7.6.3 亂序執(zhí)行處理器的實現(xiàn)問題7.7 寄存器重命名7.8 超長指令字處理器超長指令字的利弊7.9 指令級并行性的編譯技術(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、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）機器語言與匯編語言之間的區(qū)別是什么？（2）人們認為匯編語言比機器語言更容易編程的原因是什么？解析（1）機器語言指令是計算機內(nèi)部表示各種運算的位模式。匯編語言是更易于人們閱讀的機器語言版本，其中的每條指令都表示成能描述指令功能的一個文本字符串。（2）在使用匯編語言編程時，匯編程序負責(zé)將匯編語言指令轉(zhuǎn)換成機器語言指令，而不是由人來進行轉(zhuǎn)換。通常，與對機器語言指令進行編碼的數(shù)字相比，表示匯編語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編語言指令轉(zhuǎn)換成機器語言指令，從而可減少生成每條指令的機器語言表示形式時出錯的可能性。自修改程序3.3目前，自修改程序比它在早期計算機上的應(yīng)用更少一些，原因何在。解析主要有兩個原因。首先，自修改代碼要比非自修改代碼更難調(diào)試，因為執(zhí)行的程序不同于編寫的程序。計算機速度更快時，與調(diào)試難度不斷增大相比，自修改代碼的性能優(yōu)勢就不那么重要了。其次，在內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計方面的改進降低了從自修改代碼中獲得的性能改進。比較編譯程序與匯編程序3.4請簡要說明，在程序的執(zhí)行時問方面，編譯程序質(zhì)量對使用編譯程序開發(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，匯編語言指令與機器語言指令之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。匯編程序?qū)⒚織l匯編語言指令轉(zhuǎn)換成機器語言的表示形式。匯編程序轉(zhuǎn)換正確時，生成的機器語言程序指令就與匯編語言源程序指令完全相同，只是編碼不同而已。匯編程序并沒有改變程序指令集，所以它對程序執(zhí)行時間沒有任何影響。對照來看，編譯程序確定匯編語言指令序列，這些指令執(zhí)行由高級語言程序指定的計算。由于編譯程序為程序創(chuàng)建了匯編語言指令序列，因此編譯程序的質(zhì)量會對最終程序的執(zhí)行時間產(chǎn)生很大的影響。質(zhì)量低劣的編譯程序所創(chuàng)建的程序會做大量多余的工作，運行速度較慢，高質(zhì)量的編譯程序能消除那些多余的工作，會有較好的性能。

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《計算機體系結(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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