計算機體系結(jié)構(gòu)

內(nèi)容概要

　　本書是一本強調(diào)從實踐中學理念的計算機體系結(jié)構(gòu)的教材。作者結(jié)合自身從事國產(chǎn)龍芯高性能通用處理器研制的實踐，以準確精練、生動活潑的語言，將計算機體系結(jié)構(gòu)的知識深入淺出地傳授給讀者。
　　本書共13章，第1～4章從計算機體系結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容和發(fā)展趨勢、二進制和邏輯電路、指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面介紹計算機體系結(jié)構(gòu)的基礎內(nèi)容。第5～7章從靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、多發(fā)射數(shù)據(jù)通路等方面介紹指令流水線結(jié)構(gòu)。第8～11章從轉(zhuǎn)移預測、功能部件、高速緩存、存儲管理等方面介紹處理器的模塊級結(jié)構(gòu)。第12章介紹多處理器結(jié)構(gòu)。第13章主要介紹作者在龍芯處理器設計過程中的經(jīng)驗教訓。
　　本書適合計算機專業(yè)的高年級本科生、研究生，以及相關工程技術人員。

作者簡介

　　胡偉武，1991年本科畢業(yè)于中國科學技術大學，1996年于中國科學院計算技術研究所獲工學博士學位。現(xiàn)任中國科學院計算技術研究所研究員、博士生導師、總工程師。中科院百人計劃入選者，國家杰出青年基金獲得者。國家自然科學基金委員會信息領域咨詢專家、國家“核高基”科技重大專項實施專家。十一屆全國人大代表，全國青聯(lián)常委。主要研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和微處理器設計，作為總設計師成功研制多款國產(chǎn)龍芯高性能通用CPU。主持國家自然科學基金、國家863高技術研究、國家“核高基”科技重大專項、中國科學院知識創(chuàng)新工程等項目10余項。出版專著和教材2部，發(fā)表科研論文50余篇，獲國家發(fā)明專利20多項。曾獲得全國青年五四獎章、中國科學院杰出科技成就獎、中國科學院教學成果一等獎、全國首屆優(yōu)秀博士論文獎、光華工程科技獎、中國青年科技獎等。

書籍目錄

第1章 引言
　1.1 什么是CPU
　1.2 一以貫之
　1.3 本書的內(nèi)容
　1.4 本書的習題與參考文獻說明
第2章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎
　2.1 什么是計算機
　2.2 計算機的基本組成
　2.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展
　2.4 摩爾定律和工藝的發(fā)展
　2.5 計算機應用的發(fā)展趨勢
　2.6 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢
　2.7 多核結(jié)構(gòu)的發(fā)展及其面臨的問題
　2.8 衡量計算機的指標
　2.9 性能評價
　2.10 成本評價
　2.11 功耗評價
　2.12 本章小結(jié)
　作業(yè)
第3章 二進制與邏輯電路
　3.1 計算機中數(shù)的表示
　3.2 MOS管工作原理
　3.3 MOS基本工藝
　3.4 邏輯電路
　3.5 CMOS電路的延遲
　3.6 Verilog語言
　3.7 本章小結(jié)
　作業(yè)
第4章 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　4.1 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計原則
　4.2 影響指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的因素
　4.3 指令系統(tǒng)的分類
　4.4 指令系統(tǒng)的組成部分
　4.5 RISC指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　4.6 RISC的發(fā)展歷史
　4.7 不同RISC指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較
　4.8 本章小結(jié)
　作業(yè)
第5章 靜態(tài)流水線
　5.1 數(shù)據(jù)通路設計
　5.2 控制邏輯設計
　5.3 時序
　5.4 流水線技術
　5.5 指令相關和流水線沖突
　5.6 流水線的前遞（Forwarding）技術
　5.7 流水線和例外
　5.8 多功能部件與多拍操作
　5.9 本章小結(jié)
　作業(yè)
第6章 動態(tài)流水線
　6.1 影響流水線效率的因素
　6.2 指令調(diào)度技術
　6.3 動態(tài)調(diào)度原理
　6.4 Tomasulo算法
　6.5 例外與動態(tài)流水線
　6.6 本章小結(jié)
　作業(yè)
第7章 多發(fā)射數(shù)據(jù)通路
　7.1 指令級并行技術
　7.2 保留站的組織
　7.3 保留站和寄存器的關系
　7.4 重命名寄存器的組織
　7.5 亂序執(zhí)行的流水線通路
　7.6 多發(fā)射結(jié)構(gòu)
　7.7 龍芯2號多發(fā)射結(jié)構(gòu)簡介
　7.8 本章小結(jié)
　作業(yè)
第8章 轉(zhuǎn)移預測
　8.1 轉(zhuǎn)移指令
　8.2 程序的轉(zhuǎn)移行為
　8.3 軟件方法解決控制相關
　8.4 硬件轉(zhuǎn)移預測技術
　8.5 一些典型商用處理器的分支預測機制
　8.6 本章小結(jié)
　作業(yè)
第9章 功能部件
　9.1 定點補碼加法器
　9.2 龍芯1號的ALU設計
　9.3 定點補碼乘法器
　9.4 本章小結(jié)
　作業(yè)
第10章 高速緩存
　10.1 存儲層次
　10.2 cache結(jié)構(gòu)
　10.3 cache性能和優(yōu)化
　10.4 常見處理器的存儲層次
　10.5 本章小結(jié)
　作業(yè)
第11章 存儲管理
　11.1 虛擬存儲的基本原理
　11.2 MIPS處理器對虛存系統(tǒng)的支持
　11.3 Linux操作系統(tǒng)的存儲管理
　11.4 TLB的性能分析和優(yōu)化
　11.5 本章小結(jié)
　作業(yè)
第12章 多處理器系統(tǒng)
　12.1 共享存儲與消息傳遞系統(tǒng)
　12.2 常見的共享存儲系統(tǒng)
　12.3 共享存儲系統(tǒng)的指令相關
　12.4 共享存儲系統(tǒng)的訪存事件次序
　12.5 存儲一致性模型
　12.6 cache一致性協(xié)議
　12.7 本章小結(jié)
　作業(yè)
第13章 實踐是最好的課堂
　13.1 龍芯處理器簡介
　13.2 硅是檢驗結(jié)構(gòu)設計的唯一標準
　13.3 設計要統(tǒng)籌兼顧
　13.4 設計要重點突出
　13.5 皮體系結(jié)構(gòu)設計
　13.6 本章小結(jié)
參考文獻
后記

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：本書主體內(nèi)容分為四部分。第1～4章為第一部分，從計算機體系結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容和發(fā)展趨勢、二進制和邏輯電路、指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基礎內(nèi)容。第5～7章為第二部分，從靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、多發(fā)射數(shù)據(jù)通路等方面介紹指令流水線結(jié)構(gòu)。第8～11章為第三部分，從轉(zhuǎn)移預測、功能部件、高速緩存、存儲管理等方面介紹處理器的模塊級結(jié)構(gòu)。第12章為第四部分，介紹多處理器結(jié)構(gòu)。另外，第13章作為附加部分，主要介紹在龍芯處理器設計過程中的實際故事及體會。第1章為引言，主要引出什么是CPU，學習本教材的目的以及教材內(nèi)容。第2章介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎。主要內(nèi)容包括計算機的基本概念，影響計算機結(jié)構(gòu)的主要素及其發(fā)展趨勢，計算機中性能、功耗、成本等重要指標的計算等。第3章介紹二進制與邏輯電路。主要內(nèi)容包括計算機中數(shù)的表示，CMOS電路原理，組合邏輯和時序邏輯，電路的延遲，從一個行為級描述到版圖的設計過程等。第4章介紹指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容包括影響指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素，指令系統(tǒng)的組成，RISC指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點及其發(fā)展歷史，不同指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較以及指令應用與實現(xiàn)的一些例子等。第5章介紹靜態(tài)指令流水線。通過完成一個簡單CPU的設計介紹CPU的數(shù)據(jù)通路、靜態(tài)指令流水線、指令相關對流水線的影響、靜態(tài)流水線的數(shù)據(jù)前遞（Forward）技術、流水線與例外處理等。第6章介紹動態(tài)指令流水線。主要內(nèi)容包括程序中指令相關與流水線阻塞的關系，通過軟件優(yōu)化避免指令相關引起的阻塞，以及通過保留站、寄存器重命名、重排序緩存實現(xiàn)指令在流水線中“有序進入、亂序執(zhí)行、有序結(jié)束”。打個比方，靜態(tài)指令流水線相當于在車道上不能超車，前面有輛拖拉機在慢慢地開，時速200公里的保時捷也只能跟在拖拉機后面跟著；動態(tài)指令流水線就是可以超車；多發(fā)射就是多車道。第7章介紹亂序執(zhí)行流水線以及多發(fā)射流水線的指令和數(shù)據(jù)通路。首先從保留站的組織方式、保留站和寄存器的關系以及寄存器重命名方式等方面對亂序執(zhí)行流水線的組織結(jié)構(gòu)進行歸納，然后在此基礎上對多發(fā)射流水線的特點進行深入分析。

編輯推薦

《計算機體系結(jié)構(gòu)》是國內(nèi)從事微處理器設計的一線科研人員撰寫的教材，充分結(jié)合了作者從事龍芯處理器研制的科研結(jié)晶和體會。從微處理器設計角度，強調(diào)體系結(jié)構(gòu)設計者具備知識的系統(tǒng)性（了解操作系統(tǒng)、編譯器，體系結(jié)構(gòu).電路設計、集成電路工藝等方面知識）、結(jié)構(gòu)設計的實踐性（在硅上做設計）。在內(nèi)容選擇上強調(diào)基礎性，在快速變化的體系結(jié)構(gòu)學科中選擇不變的原理性知識進行講述，重點介紹具體結(jié)構(gòu)背后的原理和思路。強調(diào)從實踐中學，安排了一些需要動手實踐并參考相關文獻才能完成的習題。在寫作風格上采用“授課型”語言，通俗易懂。深入淺出，可讀性好。適合計算機專業(yè)的高年級本科生、研究生以及相關工程技術人員學習。

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