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本書是一本關于現(xiàn)代處理器與計算機體系結構的實用指南，既深入淺出地介紹了現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的工作原理并探索了處理器的內(nèi)部行為，又通過大量實例闡釋計算機體系結構的應用，并對計算機體系結構相關重要領域的新技術進行介紹，使抽象的理論知識得以具體化，幫助讀者快速了解現(xiàn)代處理器關鍵技術、組件及發(fā)展趨勢，設計更高效、可擴展性更好的軟件系統(tǒng)。本書包含了自第1版出版以來的一些最新技術，并增加了計算機體系結構相關重要領域的新內(nèi)容。新的章節(jié)包括網(wǎng)絡安全、區(qū)塊鏈和比特幣挖礦，以及自動駕駛汽車計算體系結構等。

前　言歡迎閱讀本書。自第1版出版以來，我非常高興收到了讀者的大量反饋和建議。當然，我非常感激讀者的所有反饋，特別是指出本書錯誤和遺漏的讀者。本書介紹了在現(xiàn)代處理器和計算機體系結構中使用的關鍵技術和組件，并針對具體需求，討論了不同體系結構的決策如何影響計算機的配置優(yōu)化�，F(xiàn)代計算機是一種復雜的設備。然而，當以層次化的方式來看時，每一級的復雜功能都很明晰。本書涵蓋了眾多主題，但只在有限的深度內(nèi)對各個主題進行探討。本書的目標是為現(xiàn)代計算設備進行一個簡要明了的介紹，包括每一項重要技術和子系統(tǒng)，并闡釋其與其他系統(tǒng)組件之間的關系。本書包含自第1版出版以來出現(xiàn)的一些最新技術，并增加了計算機體系結構相關重要領域的新內(nèi)容。新的章節(jié)包括網(wǎng)絡安全、區(qū)塊鏈和比特幣挖礦，以及自動駕駛汽車計算體系結構等。盡管計算系統(tǒng)的安全性一直非常重要，但是，最近不法黑客利用操作系統(tǒng)和應用程序的主要漏洞進行攻擊，對世界各國造成了很大的負面影響。這些網(wǎng)絡攻擊凸顯了計算機系統(tǒng)設計師將網(wǎng)絡安全作為系統(tǒng)架構基本要素的必要性。本書不會提供一個冗長的參考書單，如果讀者想深入閱讀，可以自行在互聯(lián)網(wǎng)上查找相關內(nèi)容�；ヂ�(lián)網(wǎng)上聚集了大量的知識，如果讀者能免于網(wǎng)上一些喧囂言論的影響，就會發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)是一個巨大、涼爽、安靜的圖書館。學會使用你最喜歡的搜索引擎的高級功能，同時，要學會從未知的觀點中分辨出高質(zhì)量的信息。如果讀者對獲得的信息有任何疑問，可以嘗試檢索多個信息來源。請重視信息的來源：如果要尋找有關Intel處理器的信息，請搜索Intel發(fā)布的文檔。閱讀本書，讀者將詳細了解目前在廣泛多樣的數(shù)字系統(tǒng)中使用的計算機體系結構。讀者還將了解當前體系結構技術的發(fā)展趨勢，以及未來幾年可能的一些突破性進展，這些突破或許會極大地影響計算系統(tǒng)結構的發(fā)展。目標讀者本書適用于軟件開發(fā)人員、計算機工程專業(yè)的學生、系統(tǒng)設計師、計算機科學專業(yè)人士、逆向工程師，以及希望了解各類現(xiàn)代計算機系統(tǒng)從微型嵌入式設備到智能手機，再到倉儲規(guī)模的云服務器群的架構和設計原理的其他人員。讀者還可探索這些技術在未來幾年可能的發(fā)展方向。對計算機處理器的大體了解有益于閱讀本書，但這并不是必需的。本書內(nèi)容本書包含以下內(nèi)容。第1章首先介紹自動計算設備的簡史，并描述了推動計算性能飛躍的重大技術進步。之后討論摩爾定律，評估其在過去幾十年中的適用性和對未來的影響。最后以6502微處理器為例，介紹計算機體系結構的基本概念。第2章介紹作為開關元件的晶體管，并解釋其在構造邏輯門中的應用。然后介紹如何通過組合簡單的邏輯門來實現(xiàn)觸發(fā)器和寄存器等。該章還將介紹時序邏輯的概念，時序邏輯是包含狀態(tài)信息的邏輯，最后討論使用時鐘控制的數(shù)字電路。第3章首先從概念上描述通用處理器。該章介紹指令集、寄存器集、指令加載、解碼、執(zhí)行和排序等概念，還將介紹內(nèi)存加載和存儲操作。隨后介紹分支指令及其在循環(huán)和條件處理中的應用，最后介紹導致中斷處理和I/O操作的一些實際因素。第4章討論包括多級緩存在內(nèi)的計算機存儲器及其與處理器的接口，還介紹包括中斷處理、緩沖和專用I/O處理器在內(nèi)的I/O需求。該章還將討論包括鍵盤、鼠標、視頻顯示器和網(wǎng)絡接口等I/O設備的一些特定需求，最后列舉了這些元件在現(xiàn)代計算機應用中的描述性實例，包括智能移動設備、個人計算機、游戲系統(tǒng)、云服務器和專用機器學習系統(tǒng)。第5章討論計算機操作系統(tǒng)必須提供的高級服務的實現(xiàn)，包括磁盤I/O、網(wǎng)絡通信和人機交互。該章將從處理器指令集和寄存器層面開始，介紹實現(xiàn)這些功能的軟件層。最后介紹包括引導、多進程和多線程在內(nèi)的操作系統(tǒng)功能。第6章探索大多數(shù)用戶往往不直接可見的計算領域，包括實時系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和GPU處理。該章將討論與每個計算領域相關的特定需求，并介紹實現(xiàn)這些功能的現(xiàn)代設備。第7章深入研究包括馮·諾伊曼體系結構、哈佛體系結構和改進型哈佛體系結構在內(nèi)的現(xiàn)代處理器體系結構。該章還討論分頁虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)，介紹計算機體系結構中內(nèi)存管理功能的實現(xiàn)以及內(nèi)存管理單元的功能。第8章討論許多實際計算機體系結構中的性能增強技術，這些技術的目標是使系統(tǒng)達到峰值執(zhí)行速度。該章的主題是提高系統(tǒng)性能的重要技術，包括高速緩沖存儲器的使用、指令流水線、指令級并行和單指令多數(shù)據(jù)（Single Instruction Multiple Data，SIMD）處理。第9章重點介紹在處理器指令集級別實現(xiàn)的擴展，以提供超出一般數(shù)據(jù)處理需求之外的額外系統(tǒng)功能。該章介紹的擴展包括處理器的特權模式、浮點數(shù)運算、功耗管理和系統(tǒng)安全管理。第10章研究包括x86、x64和ARM處理器在內(nèi)的現(xiàn)代處理器設計中的體系結構和指令集特性。生產(chǎn)一系列處理器系列生產(chǎn)幾十年之后便會面臨需要保持代碼向后兼容性這一挑戰(zhàn)。對傳統(tǒng)特性的支持需求往往會增加后一代處理器的復雜性。該章將研究處理器體系結構因支持傳統(tǒng)特性需求而引起的一些問題。第11章介紹令人興奮的新RISC-V處理器體系結構及其指令集。RISC-V是一種完全開源、免費使用的精簡指令集計算機體系結構規(guī)范。完整的指令集規(guī)范已經(jīng)發(fā)布，目前已有一些該體系結構的硬件實現(xiàn)。對指令集進行多種擴展的規(guī)范開發(fā)工作正在進行。該章涵蓋RISC-V體系結構的功能和可用變體，并介紹其指令集，還將討論RISC-V體系結構在移動設備、個人計算機和服務器中的應用。第12章介紹與處理器虛擬化相關的概念，并闡述虛擬化帶來的好處。該章將介紹基于開源工具和操作系統(tǒng)的虛擬化實例，這些工具可以在通用計算機上執(zhí)行各種計算機體系結構和操作系統(tǒng)的指令集精確表示。該章還將討論虛擬化在開發(fā)和部署實際軟件應用中帶來的好處。第13章結合前幾章討論的主題，將開發(fā)一種設計計算機系統(tǒng)的方法來滿足用戶的獨特需求。該章將討論一些具體的應用程序類別，包括移動設備、個人計算機、游戲系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎和神經(jīng)網(wǎng)絡。第14章重點介紹國家安全系統(tǒng)和金融交易處理等關鍵應用領域的安全需求。這些系統(tǒng)必須能夠抵御各種網(wǎng)絡安全攻擊，包括惡意代碼、隱蔽信道攻擊和通過物理訪問計算機硬件實施的攻擊等。該章的主題包括網(wǎng)絡安全威脅、加密技術、數(shù)字簽名、安全硬件和軟件設計。當前，人們對加密貨幣興趣的激增，主流金融機構和零售商對加密貨幣的接受度不斷提高，這表明這一計算領域正在持續(xù)發(fā)展。本書增加了關于區(qū)塊鏈和比特幣挖礦計算需求的章節(jié)。第15章介紹與區(qū)塊鏈相關的概念，區(qū)塊鏈是一種通過加密保護的公共分類賬，記錄著一系列交易。然后概述比特幣挖礦的過程，它將交易附加到比特幣區(qū)塊鏈中，并以比特幣的形式獎勵那些完成這項任務的人。比特幣的處理需要高性能的計算硬件，這在當代比特幣挖礦計算機體系結構中得到了體現(xiàn)。隨著具備部分自動駕駛能力或完全自動駕駛能力的汽車的數(shù)量持續(xù)增長，需要強大、高性能的計算系統(tǒng)，以滿足公共道路上自動駕駛汽車安全行駛的要求。第16章介紹自動駕駛汽車處理體系結構所需的功能。該章首先討論確保自動駕駛汽車及其乘客的安全，以及其他車輛、行人和靜止物體安全的要求，然后討論自動駕駛汽車在駕駛時接收的傳感器類型和數(shù)據(jù)類型，并描述有效的車輛控制所需的處理類型。該章最后將介紹一個自動駕駛計算體系結構的例子。第17章探討計算機體系結構未來的道路。該章回顧計算機體系結構發(fā)展過程中的重大進步和當前趨勢，并推斷這些趨勢可能的發(fā)展方向。該章將討論可能改變計算機體系結構未來道路的潛在顛覆性技術。最后，該章將為計算機體系結構設計師的專業(yè)發(fā)展提出一些方法，幫助他們掌控能夠適應未來的技能。充分利用本書本書每章的末尾都有一個習題集。為了充分利用本書，并且?guī)椭x者鞏固一些更有挑戰(zhàn)性的概念，建議讀者嘗試解答所有習題。書中提供了所有習題的完整答案，讀者也可以上網(wǎng)查閱：https://github.com/PacktPublishing/Modern-Computer-Architecture-and-Organization-Second-Edition。如果代碼示例和習題答案有更新，將會放在現(xiàn)有的GitHub存儲庫中。下載示例代碼與彩色圖像我們在GitHub上放置了本書的代碼包：https://github.com/PacktPublishing/Modern-Computer-Architecture-and-Organization-Second-Edition。我們還提供了一個PDF文件，其中包含書中使用的截圖和彩色圖像。讀者可以訪問https://static.packt-cdn.com/downloads/9781803234519_ColorImages.pdf下載。排版約定本書使用了以下排版約定。代碼體：表示文本中的代碼、數(shù)據(jù)庫表名、文件夾名、文件名、文件擴展名、路徑名、虛擬URL、用戶輸入和Twitter賬戶名。例如：使用SBC指令執(zhí)行減法運算會使6502匯編語言程序員新手更加困惑。代碼塊如下所示：任何命令行輸入和輸出如下所示：粗體：表示新的術語、重要詞匯，或讀者在屏幕上看到的文字。例如：因為有4個集合，所以物理地址中的集合字段減少到2位、標簽字段增加到24位。警告或重要的說明像這樣展現(xiàn)。

序前言作者簡介審校者簡介第1章　計算機體系結構簡介11.1　自動計算設備的發(fā)展11.1.1　查爾斯·巴貝奇的分析機11.1.2　ENIAC31.1.3　IBM PC　31.1.4　iPhone51.2　摩爾定律61.3　計算機體系結構 81.3.1　使用電壓電平表示數(shù)據(jù)值81.3.2　二進制數(shù)和十六進制數(shù)81.3.3　6502微處理器111.3.4　6502指令集　131.4　總結141.5　習題15第2章　數(shù)字邏輯162.1　電路162.2　晶體管172.3　邏輯門172.4　鎖存器202.5　觸發(fā)器222.6　寄存器232.7　加法器242.8　時鐘262.9　時序邏輯272.10　硬件描述語言272.11　總結302.12　習題31第3章　處理器要素323.1　一個簡單的處理器323.1.1　控制單元333.1.2　算術邏輯單元353.1.3　寄存器　393.2　指令集403.3　尋址方式403.3.1　立即尋址方式403.3.2　絕對尋址方式413.3.3　絕對索引尋址方式413.3.4　間接索引尋址方式433.4　指令類型443.4.1　內(nèi)存加載和存儲指令 443.4.2　寄存器到寄存器的數(shù)據(jù)傳輸　　　指令443.4.3　棧指令443.4.4　算術運算指令453.4.5　邏輯運算指令453.4.6　分支指令463.4.7　子程序調(diào)用和返回指令463.4.8　處理器標志指令463.4.9　中斷相關的指令463.4.10　空操作指令473.5　中斷處理473.5.1　IRQ處理473.5.2　NMI處理483.5.3　BRK指令處理483.6　I/O操作503.6.1　程序查詢I/O503.6.2　中斷驅動I/O513.6.3　直接內(nèi)存訪問513.7　總結523.8　習題52第4章　計算機系統(tǒng)組件534.1　內(nèi)存子系統(tǒng)534.2　MOSFET簡介544.3　用MOSFET構建DRAM電路554.3.1　電容器554.3.2　DRAM位單元564.3.3　DDR5　SDRAM584.3.4　GDDR594.3.5　預取604.4　I/O子系統(tǒng)604.4.1　并行數(shù)據(jù)總線和串行數(shù)據(jù)　　　總線604.4.2　PCI Express624.4.3　SATA634.4.4　M.2634.4.5　USB634.4.6　Thunderbolt 644.5　圖形顯示644.5.1　VGA654.5.2　DVI654.5.3　HDMI664.5.4　DisplayPort664.6　網(wǎng)絡接口664.6.1　以太網(wǎng)664.6.2　Wi-Fi674.7　鍵盤和鼠標684.7.1　鍵盤684.7.2　鼠標684.8　現(xiàn)代計算機系統(tǒng)規(guī)格694.9　總結704.10　習題70第5章　硬件軟件接口715.1　設備驅動程序715.1.1　并行端口725.1.2　PCIe設備驅動程序 735.1.3　設備驅動程序結構745.2　BIOS755.3　引導過程775.3.1　BIOS引導775.3.2　UEFI引導785.3.3　可信引導785.3.4　嵌入式設備　795.4　操作系統(tǒng)795.5　進程和線程805.6　多處理855.7　總結865.8　習題86第6章　專用計算領域876.1　實時計算876.2　數(shù)字信號處理906.2.1　ADC和DAC906.2.2　DSP硬件特性926.2.3　信號處理算法936.3　GPU處理966.4　專用體系結構示例996.5　總結1006.6　習題100第7章　處理器和存儲器體系結構1027.1　馮·諾伊曼體系結構、哈佛體系　　結構、改進型哈佛體系結構1027.1.1　馮·諾伊曼體系結構1027.1.2　哈佛體系結構1037.1.3　改進型哈佛體系結構1047.2　物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存1057.2.1　分頁虛擬內(nèi)存1077.2.2　頁面狀態(tài)位　1097.2.3　內(nèi)存池1107.3　內(nèi)存管理單元1117.4　總結1137.5　習題113第8章　性能提升技術1148.1　高速緩存1148.1.1　多級處理器緩存1158.1.2　靜態(tài)RAM1168.1.3　一級緩存1178.1.4　直接映射緩存1178.1.5　組相聯(lián)緩存1198.1.6　全相聯(lián)緩存1218.1.7　處理器緩存寫策略1218.1.8　二級處理器緩存和三級　　　處理器緩存1228.2　指令流水線1238.2.1　超流水線 1258.2.2　流水線冒險1268.2.3　微操作和寄存器重命名1278.2.4　條件分支1288.3　同時多線程1288.4　SIMD處理1298.5　總結1308.6　習題130第9章　專用處理器擴展1319.1　處理器的特權模式1319.1.1　中斷處理和異常處理1319.1.2　保護環(huán)1339.1.3　監(jiān)管模式和用戶模式1349.1.4　系統(tǒng)調(diào)用1359.2　浮點數(shù)運算1359.2.1　8087浮點協(xié)處理器1379.2.2　IEEE 754浮點數(shù)標準1389.3　功耗管理1399.4　系統(tǒng)安全管理1409.4.1　可信平臺模塊1419.4.2　網(wǎng)絡攻擊防御1429.5　總結1439.6　習題143第10章　現(xiàn)代處理器體系結構與　　　　　指令集14410.1　x86體系結構與指令集14410.1.1　x86寄存器集14510.1.2　x86尋址方式14710.1.3　x86指令類別14910.1.4　x86指令格式15310.1.5　x86匯編語言15310.2　x64體系結構與指令集15610.2.1　x64寄存器集15610.2.2　x64指令類別與格式15710.2.3　x64匯編語言15710.3　32位ARM體系結構與指令集15910.3.1　ARM寄存器集16110.3.2　ARM尋址方式16210.3.3　ARM指令類別16310.3.4　32位ARM匯編語言16510.4　64位ARM體系結構與指令集16710.5　總結16910.6　習題170第11章　RISC-V體系結構與指令集17211.1　RISC-V體系結構與應用17211.2　RISC-V基礎指令集17511.2.1　計算指令17511.2.2　控制流指令17511.2.3　訪存指令17611.2.4　系統(tǒng)指令17611.2.5　偽指令17711.2.6　特權級17811.3　RISC-V擴展17911.3.1　M擴展18011.3.2　A擴展18011.3.3　C擴展18011.3.4　F擴展和D擴展18111.3.5　其他擴展18111.4　RISC-V變體18211.5　64位RISC-V18211.6　標準RISC-V配置18311.7　RISC-V匯編語言18311.8　在FPGA中實現(xiàn)RISC-V18411.9　總結18711.10　習題187第12章　處理器虛擬化18912.1　虛擬化介紹18912.1.1　虛擬化類型18912.1.2　處理器虛擬化的類型19112.2　虛擬化的挑戰(zhàn)19412.2.1　不安全指令19512.2.2　影子頁表19512.2.3　安全性19512.3　虛擬化現(xiàn)代處理器19612.3.1　x86處理器虛擬化19612.3.2　ARM處理器虛擬化19712.3.3　RISC-V處理器虛擬化19712.4　虛擬化工具19812.4.1　VirtualBox19812.4.2　VMware Workstation19812.4.3　VMware ESXi19912.4.4　KVM19912.4.5　Xen19912.4.6　QEMU19912.5　虛擬化與云計算20012.6　總結20012.7　習題201第13章　領域專用計算機體系結構20213.1　設計滿足特定需求的計算機系統(tǒng)20213.2　智能手機體系結構20313.3　PC體系結構20513.4　倉儲式計算體系結構20713.4.1　WSC硬件20813.4.2　基于機架的服務器20913.4.3　硬件故障管理21113.4.4　電力消耗21113.4.5　WSC作為多級信息緩存21113.4.6　部署云應用21213.5　神經(jīng)網(wǎng)絡與機器學習體系結構21413.6　總結21713.7　習題217第14章　網(wǎng)絡安全與機密計算　　　　　體系結構21814.1　網(wǎng)絡安全威脅?21814.1.1　網(wǎng)絡安全威脅的分類21814.1.2　網(wǎng)絡攻擊技術21914.1.3　惡意軟件的類型22014.1.4　利用漏洞的行為22214.2　安全硬件特性22214.2.1　確定需要保護的內(nèi)容22314.2.2　預測攻擊類型22314.2.3　安全系統(tǒng)設計的特征22414.3　機密計算22614.4　體系結構的安全性設計22714.4.1　通過隱蔽求安全22814.4.2　全面的安全設計22814.4.3　最小特權原則22914.4.4　零信任體系結構22914.5　確保系統(tǒng)和應用軟件的安全23014.5.1　通用軟件的弱點23014.5.2　源代碼安全掃描23214.6　總結23214.7　習題232第15章　區(qū)塊鏈及比特幣挖礦　　　　　體系結構23415.1　區(qū)塊鏈和比特幣簡介23415.1.1　SHA-256哈希算法23715.1.2　計算SHA-25623815.1.3　比特幣核心軟件23815.2　比特幣挖礦過程23915.2.1　比特幣礦池24015.2.2　使用CPU挖礦24115.2.3　使用GPU挖礦24215.3　比特幣挖礦計算機體系結構24215.3.1　使用FPGA挖礦24315.3.2　使用ASIC挖礦24415.3.3　比特幣挖礦經(jīng)濟學24615.4　其他類型的加密貨幣24715.5　總結24815.6　習題248第16章自動駕駛汽車體系結構24916.1　自動駕駛汽車概述24916.2　自動駕駛汽車的安全問題25016.3　自動駕駛汽車的硬件和軟件　　　需求25216.3.1　感知車輛狀態(tài)和周圍環(huán)境25216.3.2　感知環(huán)境25416.3.3　決策處理26016.4　自動駕駛汽車計算體系結構26116.5　總結26216.6　習題263第17章　量子計算和其他計算機　　　　　體系結構的未來方向26417.1　計算機體系結構的發(fā)展歷程26417.2　未來的發(fā)展趨勢26517.2.1　重溫摩爾定律26517.2.2　3D堆疊26617.2.3　提高設備的專用化程度26617.3　潛在的顛覆性技術26717.3.1　量子物理學26717.3.2　自旋電子學26817.3.3　量子計算26817.3.4　量子密碼學26917.3.5　絕熱量子計算27017.3.6　量子計算的未來27017.3.7　碳納米管27117.4　培養(yǎng)適應未來的技能27217.4.1　持續(xù)學習27217.4.2　會議與期刊27317.5　總結27317.6　習題273習題答案274第1章習題答案274第2章習題答案285第3章習題答案291第4章習題答案300第5章習題答案300第6章習題答案302第7章習題答案304第8章習題答案306第9章習題答案 306第10章習題答案312第11章習題答案337第12章習題答案341第13章習題答案344第14章習題答案346第15章習題答案346第16章習題答案348第17章習題答案357

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