计算机体系结构简明教程(RISC-V版)

目录

第1章计算机系统结构的基本概念1

1.0学习指南1

1.1计算机系统的多级层次结构2

1.2计算机系统结构、组成和实现4

1.2.1计算机系统结构、组成和实现的定义4

1.2.2计算机系统结构、组成和实现的相互关系6

1.3软硬件取舍与计算机系统的设计思路6

1.3.1软硬件取舍的基本原则6

1.3.2计算机系统的设计思路7

1.4计算机设计的量化准则8

1.4.1计算机系统设计的定量原理8

1.4.2衡量计算机系统性能的主要标准10

1.4.3计算机性能的比较12

1.4.4计算机系统的性能评价14

1.5对系统结构的影响因素15

1.5.1软件对系统结构的影响15

1.5.2器件和应用对系统结构的影响17

1.6系统结构中的并行性18

1.6.1并行性概念18

1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度20

1.7计算机系统的分类21

1.7.1Flynn分类法21

1.7.2其他分类法24

习题125第2章数据表示与指令系统28

2.0学习指南28

2.1数据表示29

2.1.1数据表示与数据结构29

2.1.2高级数据表示292.1.3引入数据表示的原则34

2.2寻址方式34

2.2.1寻址方式分析34

2.2.2间接寻址方式与变址寻址方式的比较36

2.2.3程序在主存中的定位技术38

2.2.4信息分布38

2.3指令系统的设计和优化39

2.3.1指令操作码的优化39

2.3.2指令字格式的优化43

2.4指令系统的发展和改进44

2.4.1CISC和RISC44

2.4.2按CISC方向发展与改进指令系统44

2.4.3按RISC方向发展与改进指令系统45

2.4.4设计RISC的关键技术48

2.5典型的RISC处理器53

2.5.1ARM嵌入式处理器53

2.5.2MIPS嵌入式处理器55

2.5.3RISCV开源指令集架构56

2.6RISCV指令集57

2.6.1RISCV寄存器使用规范57

2.6.2RISCV的寻址方式58

2.6.3RISCV的指令格式58

2.6.4RISCV的基本整数指令集RV32I59

2.6.5RISCV的乘法和除法指令集RV32M63

2.6.6RISCV的浮点指令集RV32F和RV32D64

2.7Intel嵌入式处理器65

2.7.1Atom处理器65

2.7.2Quark处理器65

习题266第3章输入输出系统69

3.0学习指南69

3.1输入输出系统概述69

3.2磁盘阵列70

3.2.1RAID简介70

3.2.2RAID的分级71

3.3总线设计74

3.3.1总线特点74

3.3.2总线的数据宽度75

3.3.3总线定时控制75

3.3.4总线的集中仲裁方式76

3.3.5总线的分布仲裁方式78

3.4通道处理机79

3.4.1通道的作用和功能79

3.4.2通道工作过程81

3.4.3通道的类型82

3.4.4通道中的数据传送过程84

3.4.5通道的流量分析85

习题388第4章存储体系91

4.0学习指南91

4.1存储体系概念和并行存储系统92

4.1.1存储体系的引出92

4.1.2并行存储系统93

4.1.3存储体系定义和分支96

4.1.4存储体系的性能参数98

4.1.5双口RAM102

4.2虚拟存储系统103

4.2.1虚拟存储管理方式103

4.2.2页式虚拟存储系统构成109

4.2.3页式虚拟存储系统实现中的问题118

4.3高速缓冲存储器122

4.3.1Cache存储系统基本结构123

4.3.2地址映像和变换124

4.3.3替换算法的实现132

4.3.4Cache的透明性及性能分析134

4.4Cache主存辅存三级层次138

4.5ARM存储系统139

习题4140第5章流水线和向量处理机144

5.0学习指南144

5.1重叠方式145

5.1.1重叠原理和一次重叠145

5.1.2相关处理147

5.2流水方式151

5.2.1基本概念151

5.2.2流水线处理机的主要性能155

5.2.3流水线调度160

5.2.4流水机器的相关处理和控制机构164

5.3向量的流水处理与向量流水处理机167

5.3.1向量的流水处理167

5.3.2向量流水处理机169

5.4指令级高度并行的超级处理机171

5.4.1超标量处理机171

5.4.2超流水线处理机174

5.4.3超标量超流水线处理机178

5.4.4三种指令级并行处理机性能比较181

5.4.5超长指令字处理机182

5.5ARM流水线处理器举例182

5.6RISCV流水线处理器简化设计184

5.6.1流水线数据通路的实现185

5.6.2流水线控制器的实现195

5.6.3流水线相关以及解决方式196

习题5202第6章并行处理机和互连网络206

6.0学习指南206

6.1并行处理机原理207

6.1.1并行处理机定义及特点207

6.1.2并行处理机的构形与特点207

6.2并行处理机的并行算法209

6.3互连网络的基本概念215

6.3.1互连网络的设计目标及互连函数215

6.3.2设计互连网络时应考虑的问题217

6.4互连网络的种类218

6.4.1静态互连网络218

6.4.2循环互连网络220

6.4.3基本的单级互连网络221

6.4.4多级互连网络223

6.4.5全排列网络228

6.5并行存储器的无冲突访问229

习题6231第7章多处理机和多计算机233

7.0学习指南233

7.1多处理机概念234

7.1.1多处理机定义234

7.1.2多处理机分类234

7.1.3多处理机特点和主要技术问题235

7.2多处理机结构237

7.2.1共享存储器结构237

7.2.2分布式存储器结构242

7.2.3大规模并行处理机243

7.2.4机群244

7.3多核处理器249

7.3.1多核处理器定义与结构249

7.3.2Intel多核处理器251

7.3.3AMD多核处理器253

7.3.4ARM多核处理器254

7.4多处理机的多Cache一致性256

7.4.1存储器一致性定义256

7.4.2多Cache一致性问题的产生256

7.4.3多Cache一致性问题的解决方法258

7.5多处理机的机间互连形式263

7.6程序并行性265

7.6.1并行算法265

7.6.2程序段间的相关性分析266

7.6.3并行程序设计语言267

7.7多处理机的性能268

7.7.1基本模型269

7.7.2N台处理机系统的基本模型270

7.8多处理机的操作系统272

7.8.1主从型操作系统272

7.8.2各自独立型操作系统273

7.8.3浮动型操作系统273

习题7274

参考文献276