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第1部分 基本体系结构的元素3

第1章 简介3

1.1 历史背景3

1.1.1 自动化和机械计算器3

1.1.2 从外部程序到存储程序5

1.1.3 各代计算机简介7

1.2 内部操作简介10

1.2.1 与机器通信10

1.2.2 执行指令11

1.3 未来展望12

第2章 基本模块14

2.1 存储器14

2.1.1 定义14

2.1.2 几个技术元件15

2.2 处理器16

2.2.1 功能单元16

2.2.2 处理器的寄存器17

2.2.3 处理单元的元素20

2.2.4 控制器的元件21

2.2.5 地址计算单元22

2.3 模块之间的通信22

2.3.1 PCI总线23

第3章 信息的表示25

3.1 复习25

3.1.1 以2为基数25

3.1.2 二进制、八进制和十六进制表示26

3.2 数字表示约定27

3.2.1 整数27

3.2.2 实数28

3.2.3 浮点表示的一个示例——IEEE-754标准31

3.2.4 动态范围与精度33

3.2.5 实现33

3.2.6 IEEE-754标准的扩展34

3.3 字符表示34

3.3.1 8位表示34

3.3.2 现代表示36

3.4 练习37

第2部分 编程模型和操作41

第4章 指令41

4.1 编程模型41

4.1.1 I8086的寄存器41

4.1.2 地址构造和寻址模式42

4.2 指令集44

4.2.1 移动指令44

4.2.2 算术和逻辑指令45

4.2.3 移位指令45

4.2.4 转移46

4.2.5 其他指令48

4.3 编程示例49

4.4 从汇编语言到基本指令51

4.4.1 汇编器51

4.4.2 汇编阶段52

4.4.3 连接器53

4.4.4 何时利用汇编语言编程54

第5章 处理器55

5.1 控制总线55

5.1.1 复位线路56

5.1.2 保持线路56

5.1.3 等待控制线路56

5.1.4 中断线路57

5.1.5 概念图57

5.2 指令的执行：一个示例57

5.2.1 指令的执行59

5.2.2 时序图62

5.3 定序器的构成63

5.3.1 传统的合成方法63

5.3.2 微编程65

5.4 扩展65

5.4.1 协处理器65

5.4.2 矢量扩展67

5.4.3 DSP和GPU71

5.5 练习72

第6章 输入和输出74

6.1 示例75

6.1.1 示例：控制热电偶75

6.1.2 示例：串行终端连接79

6.2 交换器的设计和寻址81

6.2.1 交换器的设计81

6.2.2 交换器寻址82

6.3 交换模式83

6.3.1 轮询交换模式83

6.3.2 直接存储器存取84

6.3.3 中断88

6.4 处理中断88

6.4.1 工作原理88

6.4.2 示例90

6.4.3 软件中断91

6.4.4 屏蔽与取消屏蔽中断91

6.4.5 中断优先级或级别92

6.4.6 类似的机制92

6.5 练习93

第3部分 存储器层次结构97

第7章 存储器97

7.1 存储器资源97

7.2 特征97

7.3 存储器层次结构98

7.3.1 局部性原理99

7.3.2 层次结构的组织和管理99

7.3.3 定义和性能100

7.4 存储器大小和保护机制100

7.5 分段101

7.5.1 使用段寄存器：一个示例101

7.5.2 使用段描述符102

7.6 分页103

7.7 存储器交叉存取和突发模式105

7.7.1 C存取105

7.7.2 S存取105

7.7.3 突发模式106

7.7.4 预取缓冲区107

7.8 保护，I386的示例108

第8章 缓存109

8.1 高速缓冲存储器109

8.1.1 操作原理和体系结构109

8.1.2 高速缓冲存储器的操作109

8.1.3 缓存设计111

8.2 替换算法114

8.2.1 LRU方法114

8.2.2 多级缓存的情况118

8.2.3 性能和模拟119

第9章 虚拟存储器122

9.1 一般概念122

9.1.1 操作122

9.1.2 存取信息123

9.1.3 地址翻译123

9.2 存取方法的规则124

9.2.1 页错误124

9.2.2 多级分页125

9.2.3 服务信息、保护和访问权限125

9.2.4 页大小126

9.3 程序执行的示例127

9.3.1 引入翻译缓存128

9.3.2 执行129

9.3.3 备注131

9.4 二级分页的示例132

9.4.1 管理132

9.4.2 处理服务位132

9.4.3 信息访问中的步骤134

9.5 页式分段136

9.5.1 36位扩展138

9.6 练习138

9.7 文档摘录139

9.7.1 MMU简介139

9.7.2 TLB的描述140

9.7.3 TLB特性142

第4部分 并行性和性能增强147

第10章 流水线体系结构147

10.1 动机和思想147

10.1.1 RISC机器147

10.1.2 操作原理148

10.1.3 流水线体系结构的代价150

10.2 流水线管理问题150

10.2.1 结构风险150

10.2.2 依赖冲突153

10.2.3 转移154

10.3 处理转移155

10.3.1 延迟的转移和软件处理155

10.3.2 转移预测157

10.3.3 转移目标缓冲区160

10.3.4 全局预测161

10.3.5 示例163

10.4 中断和异常166

10.4.1 中断166

10.4.2 陷阱和错误167

第11章 体系结构的示例168

11.1 简介168

11.1.1 流水线描述168

11.1.2 指令集170

11.1.3 指令格式171

11.2 执行指令172

11.2.1 读取和解码指令172

11.2.2 存储器读取172

11.2.3 存储器写操作174

11.2.4 寄存器到寄存器的操作174

11.2.5 条件转移176

11.2.6 具有立即寻址的指令179

11.3 DLX中的冲突解决179

11.3.1 转发技术179

11.3.2 处理转移182

11.4 练习185

第12章 多处理器环境中的缓存190

12.1 缓存一致性191

12.1.1 示例191

12.1.2 要考虑的元素192

12.1.3 一致性的定义192

12.1.4 方法193

12.2 嗅探协议的示例194

12.2.1 MSI协议194

12.2.2 MEI协议197

12.2.3 MESI协议197

12.2.4 MOESI协议199

12.3 改进200

12.4 基于目录的一致性协议200

12.5 一致性203

12.5.1 相容性与一致性203

12.5.2 表示法203

12.5.3 原子相容性204

12.5.4 顺序相容性204

12.5.5 因果相容性205

12.5.6 弱相容性206

12.6 练习207

第13章 超标量体系结构210

13.1 超标量体系结构的原理210

13.1.1 风险211

13.2 寻求解决方案212

13.2.1 原理212

13.2.2 示例214

13.3 处理指令流215

13.3.1 记分牌的原理215

13.3.2 记分牌实现216

13.3.3 详细的示例217

13.3.4 关于优先级约束的注释221

13.3.5 Tomasulo算法的原理222

13.3.6 详细的示例224

13.3.7 循环执行和WAW风险229

13.4 VLIW体系结构231

13.4.1 超标量体系结构的局限性231

13.4.2 VLIW体系结构概述232

13.4.3 预测233

13.5 练习235

第5部分 附录241

附录A 提示和解决方案241

A.1 信息的表示241

A.2 处理器244

A.3 输入和输出245

A.4 虚拟存储器246

A.5 流水线体系结构247

A.6 多处理器环境中的缓存253

A.7 超标量体系结构256

附录B 编程模型258

B.1 I8086中的指令编码258

B.2 DLX体系结构的指令集259

B.2.1 浮点数上的操作259

B.2.2 移动操作259

B.2.3 算术和逻辑运算260

B.2.4 转移260

参考文献262