诺森计算机组成与体系结构:能设计:designing for performance

译者序

前言

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部 概述

章 基本概念与计算机演化 2

1.1 组成与体系结构 2

1.2 功能和结构 3

1.2.1 功能 3

1.2.2 结构 3

1.3 IAS计算机 8

1.4 逻辑门、存储器位元、芯片和多芯片模块 12

1.4.1 逻辑门和存储器位元 12

1.4.2 晶体管 13

1.4.3 微芯片 13

1.4.4 多芯片模块 15

1.5 Intel x86体系结构的演化 15

1.6 嵌入式系统 18

1.6.1 物联网 19

1.6.2 嵌入式操作系统 19

1.6.3 应用处理器与专用处理器 19

1.6.4 微处理器与微控制器 20

1.6.5 嵌入式系统与深度嵌入式系统 20

1.7 ARM体系结构 21

1.7.1 ARM的演变 21

1.7.2 指令集体系结构 21

1.7.3 ARM产品 22

1.8 关键词、思考题和习题 25

第2章 能问题 28

2.1 能设计 28

2.1.1 微处理器的速度 29

2.1.2 能平衡 29

2.1.3 芯片组成和体系结构的改进 30

2.2 多核、MIC和GPGPU 32

. 阿姆达尔定律和利特尔法则 33

..1 阿姆达尔定律 33

..2 利特尔法则 34

2.4 计算机能的基本指标 35

2.4.1 时钟速度 36

2.4.2 指令执行速度 36

2.5 计算平均值 37

2.5.1 算术平均值 39

2.5.2 调和平均值 39

2.5.3 几何平均值 41

2.6 基准测试和SPEC 43

2.6.1 基准测试原则 43

2.6.2 SPEC基准测试 44

2.7 关键词、思考题和习题 49

第二部分 计算机系统

第3章 计算机功能和互连的顶层视图56

3.1 计算机的部件 56

3.2 计算机的功能 58

3.2.1 指令的读取和执行 58

3.2.2 中断 61

3.. I/O功能 67

3.3 互连结构 68

3.4 总线互连 68

3.5 点对点互连 70

3.5.1 PI物理层 71

3.5.2 PI链路层 72

3.5.3 PI路由层 73

3.5.4 PI协议层 73

3.6 PCIe 73

3.6.1 PCI物理和逻辑体系结构 74

3.6.2 PCIe物理层 75

3.6.3 PCIe事务处理层 76

3.6.4 PCIe数据链路层 78

3.7 关键词、思考题和习题 79

第4章 存储器层次结构：局部和能 3

4.1 局部原理 83

4.2 存储系统的特 7

4.3 存储器层次结构 88

4.3.1 成本与能特点 89

4.3.2 存储器层次结构的典型构件 91

4.3.3 IBM z13存储器层次结构 92

4.3.4 存储器层次结构的设计原则 93

4.4 多级存储器层次结构的能建模 93

4.4.1 两级存储器存取 93

4.4.2 多级存储器存取 97

4.5 关键词、思考题和习题 99

第5章 cache存储器 102

5.1 cache存储器的原理 102

5.2 cache的设计要素 105

5.2.1 cache地址 105

5.2.2 cache容量 106

5.. 逻辑cache的组织结构 107

5.2.4 替换算法 117

5.2.5 写策略 118

5.2.6 行大小 119

5.2.7 cache的数目 119

5.2.8 包含策略 121

5.3 Intel x86的cache组织 122

5.4 IBM z13的cache组织 124

5.5 cache的能模型 125

5.5.1 cache的时序模型 125

5.5.2 用于提高能的设计选项 126

5.6 关键词、思考题和习题 127

第6章 内部存储器 131

6.1 半导体主存储器 131

6.1.1 组织 131

6.1.2 DRAM和SRAM 132

6.1.3 ROM类型 133

6.1.4 芯片逻辑 134

6.1.5 芯片封装 136

6.1.6 模块组织 136

6.1.7 多体交叉存储器 138

6.2 纠错 138

6.3 DDR DRAM 142

6.3.1 SDRAM 142

6.3.2 DDR SDRAM 144

6.4 eDRAM 146

6.4.1 IBM z13 eDRAM的cache结构 146

6.4.2 Intel Core系统的cache结构 146

6.5 闪存 148

6.5.1 操作 148

6.5.2 NOR和NAND闪存 148

6.6 较新的非易失固态存储器技术 150

6.6.1 STT-RAM 151

6.6.2 PCRAM  152

6.6.3 ReRAM 152

6.7 关键词、思考题和习题 152

第7章 外部存储器 156

7.1 磁盘 156

7.1.1 磁读写机制  156

7.1.2 数据组织和格式化 157

7.1.3 物理特  160

7.1.4 磁盘能参数 161

7.2 RA 163

7.2.1 RA 0级 165

7.2.2 RA 1级 167

7.. RA 2级 168

7.2.4 RA 3级 168

7.2.5 RA 4级 169

7.2.6 RA 5级 169

7.2.7 RA 6级 169

7.3 固态硬盘 171

7.3.1 固态硬盘与硬盘驱动器的比较 171

7.3.2 固态硬盘组织结构 171

7.3.3 实际问题 172

7.4 光存储器 172

7.4.1 光盘 173

7.4.2 数字多功能光盘 175

7.4.3 高清晰光盘 176

7.5 磁带 177

7.6 关键词、思考题和习题 178

第8章 输入/输出 182

8.1 外部设备 182

8.1.1 键盘/监视器 184

8.1.2 磁盘驱动器 184

8.2 I/O模块 184

8.2.1 模块功能 184

8.2.2 I/O模块结构 185

8.3 编程式I/O 186

8.3.1 编程式I/O概述 186

8.3.2 I/O命令 187

8.3.3 I/O指令 188

8.4 中断驱动式I/O 189

8.4.1 中断处理 189

8.4.2 设计问题 191

8.4.3 Intel 82C59A中断控制器 192

8.4.4 Intel 8255A可编程外部接口 192

8.5 DMA 196

8.5.1 编程式I/O和中断驱动式I/O的缺点 196

8.5.2 DMA功能 197

8.5.3 Intel 8A DMA控制器 198

8.6 DCA 200

8.6.1 使用共享的级cache的DMA 201

8.6.2 cache相关的能问题 202

8.6.3 直接cache存取策略 204

8.6.4 直接数据I/O 204

8.7 I/O通道和处理器 206

8.7.1 I/O功能的演变 206

8.7.2 I/O通道的特点 206

8.8 外部互连标准 207

8.8.1 通用串行总线 207

8.8.2 FireWire串行总线 208

8.8.3 小型计算机系统接口 208

8.8.4 迅雷 208

8.8.5 InfiniBand 209

8.8.6 PCIe 209

8.8.7 SATA 209

8.8.8 以太网 209

8.8.9 WiFi 209

8.9 IBM z13 I/O结构 210

8.9.1 通道结构 210

8.9.2 I/O系统组织结构 211

8.10 关键词、思考题和习题 212

第9章 操作系统支持 217

9.1 操作系统概述 217

9.1.1 操作系统的目标与功能 217

9.1.2 操作系统的类型 219

9.2 调度 224

9.2.1 长期调度 225

9.2.2 中期调度 225

9.. 短期调度 225

9.3 存储器管理 228

9.3.1 交换 228

9.3.2 分区 229

9.3.3 分页 0

9.3.4 虚拟存储器 2

9.3.5 快表

9.3.6 分段 5

9.4 Intel x86存储器管理 5

9.4.1 地址空间 5

9.4.2 分段

9.4.3 分页

9.5 ARM存储器管理

9.5.1 存储器系统组织

9.5.2 虚拟存储器地址转换

9.5.3 存储器管理格式 240

9.5.4 存取控制 242

9.6 关键词、思考题和习题 242

第三部分 算术与逻辑

0章 数字系统 248

10.1 十进制系统 248

……

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