作為一名軟件開發人員、繫統設計師或計算機體繫結構專業的學生，當你探索數字設備體繫結構時，是否被其復雜性擊垮？本書將幫助你學習現代計算機繫統的工作原理——從晶體管開關到協作多處理器服務器。在本書中，你將深入學習處理器的內部行為，以設計更高效、可擴展性更好的軟件繫統。 本書全面介紹了計算機繫統的基礎知識，包括晶體管、邏輯門、時序邏輯和指令操作。你將了解現代處理器體繫結構以及包括x86、x64、ARM和RISC-V在內的指令集，還會看到如何在低成本的FPGA板上實現RISC-V處理器，以及如何編寫量子等

●前言
第一部分計算機體繫結構基礎知識
第1章計算機體繫結構簡介2
1.1自動化計算設備的演進2
1.1.1巴貝奇分析機2
1.1.2ENIAC3
1.1.3IBMPC4
1.1.4iPhone6
1.2摩爾定律7
1.3計算機體繫結構9
1.3.1二進制數和十六進制數9
1.3.26502微處理器12
1.3.36502指令集13
1.4總結15
1.5習題15
第2章數字邏輯17
2.1電路17
2.2晶體管18
2.3邏輯門19
2.4鎖存器21
2.5觸發器23
2.6寄存器24
2.7加法器25
2.8時鐘27
2.9時序邏輯28
2.10硬件描述語言28
2.11總結32
2.12習題32
第3章處理器要素33
3.1一個簡單的處理器33
3.1.134
3.1.2算術36
3.1.3寄存器39
3.2指令集40
3.3尋址方式40
3.3.1立即尋址方式41
3.3.2絕對尋址方式41
3.3.3絕對索引尋址方式42
3.3.4間接索引尋址方式43
3.4指令類型44
3.4.1內存加載指令和存儲指令44
3.4.2寄存器到寄存器的數據傳送指令45
3.4.3堆棧指令45
3.4.4算術運算指令45
3.4.5邏輯運算指令46
3.4.6分支指令46
3.4.7子程序調用和返回指令46
3.4.8處理器標志指令47
3.4.9中斷相關的指令47
3.4.10空操作指令47
3.5中斷處理47
3.5.1IRQ處理47
3.5.2NMI處理48
3.5.3BRK指令處理49
3.6輸入/輸出操作50
3.6.1程序查詢I/O51
3.6.2中斷驅動I/O51
3.6.3直接存儲器訪問51
3.7總結52
3.8習題52
第4章計算機繫統組件54
4.1技術要求54
4.2內存子繫統54
4.3MOSFET簡介55
4.4用MOSFET構建DRAM電路56
4.4.1電容器56
4.4.2DRA57
4.4.3DDR4SDRAM58
4.4.4GDDR60
4.4.5預取60
4.5I/O子繫統61
4.5.1串行數據總線和並行數據總線61
4.5.2PCIExpress62
4.5.3SATA63
4.5.4M.264
4.5.5USB64
4.5.6Thunderbolt64
4.6圖形顯示65
4.6.1VGA65
4.6.2DVI66
4.6.3HDMI66
4.6.4DisplayPort66
4.7網絡接口67
4.7.1以太網67
4.7.2Wi-Fi67
4.8鍵盤和鼠標68
4.8.1鍵盤68
4.8.2鼠標69
4.9現代計算機繫統規範69
4.10總結70
4.11習題70
第5章硬件-軟件接口71
5.1設備驅動程序71
5.1.1並行端口72
5.1.2PCIe設備驅動程序73
5.1.3設備驅動程序結構74
5.2BIOS75
5.3引導過程77
5.3.1BIOS引導77
5.3.2UEFI引導77
5.3.3嵌入式設備78
5.4操作繫統78
5.5進程和線程80
5.6多處理84
5.7總結84
5.8習題85
第6章專用計算領域86
6.1實時計算86
6.2數字信號處理89
6.2.1模數轉換器和數模轉換器89
6.2.2DSP硬件特性91
6.2.3信號處理算法92
6.3GPU處理95
6.4專用體繫結構示例98
6.5總結99
6.6習題99
第二部分處理器體繫結構和指令集
第7章處理器和存儲器體繫結構102
7.1技術要求102
7.2馮·諾依曼體繫結構、哈佛體繫結構、改進型哈佛體繫結構102
7.2.1馮·諾依曼體繫結構102
7.2.2哈佛體繫結構104
7.2.3改進型哈佛體繫結構104
7.3物理內存和虛擬內存105
7.4分頁虛擬內存107
7.4.1頁面狀態位109
7.4.2內存池110
7.5內存111
7.6總結113
7.7習題113
第8章性能提升技術114
8.1高速緩存114
8.1.1多級處理器緩存115
8.1.2靜態RAM116
8.1.3一級緩存117
8.1.4直接映射緩存117
8.1.5組相聯映射緩存119
8.1.6全相聯映射緩存120
8.1.7處理器緩存寫策略121
8.1.8二級緩存和三級緩存122
8.2指令流水線123
8.2.1超流水線125
8.2.2流水線冒險125
8.2.3微操作和寄存器重命名126
8.2.4條件分支127
8.3同時多線程128
8.4SIMD處理129
8.5總結129
8.6習題130
第9章專用處理器擴展131
9.1技術要求131
9.2處理器的特權模式131
9.2.1中斷和異常處理131
9.2.2保護環133
9.2.3監控模式和用戶模式135
9.2.4繫統調用135
9.3浮點數運算136
9.3.18087浮點協處理器137
9.3.2IEEE754浮點數標準138
9.4功耗管理139
9.5繫統安全管理140
9.6總結142
9.7習題142
第10章現代處理器體繫結構與指令集143
10.1技術要求143
10.2x86體繫結構與指令集143
10.2.1x86寄存器集145
10.2.2x86尋址方式147
10.2.3x86指令類別149
10.2.4x86指令格式152
10.2.5x86彙編語言153
10.3x64體繫結構與指令集155
10.3.1x64寄存器集156
10.3.2x64指令類別和格式156
10.3.3x64彙編語言157
10.432位ARM體繫結構與指令集158
10.4.1ARM寄存器集160
10.4.2ARM尋址方式161
10.4.3ARM指令類別162
10.4.4ARM彙編語言164
10.564位ARM體繫結構與指令集166
10.6總結168
10.7習題169
第11章RISC-V體繫結構與指令集171
11.1技術要求171
11.2RISC-V體繫結構與功能171
11.3RISC-V基礎指令集173
11.3.1計算指令173
11.3.2控制流指令174
11.3.3訪存指令174
11.3.4繫統指令175
……

本書對現代計算設備進行了介紹，包括其中可能出現的重要技術和子繫統，並闡釋了設備與其他繫統組件之間的關繫。全書分為三部分。第一部分介紹計算機體繫結構基礎知識，包括計算機體繫結構的基本概念、數字邏輯、處理器要素、計算機繫統組件、硬件-軟件接口、專用計算領域。第二部分介紹處理器體繫結構及指令集，涉及處理器和存儲器體繫結構、性能提升技術、專用處理器擴展、現代處理器體繫結構及指令集、RISC-V體繫結構及指令集。第三部分介紹計算機體繫結構的應用，包括處理器虛擬化、領域專用計算機體繫結構、計算機體繫結構的未來發展方向。本書適用於軟件開發人員、計算機專業學生、繫統設計師、計算機科學家、逆向工程師，以及所有希望理解現代計算機繫統（從微型嵌入式設備到智能手機，再到倉儲規模的雲服務器群等）的體繫結構和設計原則的人。