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计算机专业有几门“当家”的核心课程是关于“如何造计算机”的，硬件方面以计算机组成原理和计算机体系结构为主，软件方面以操作系统和编译原理为主。其他如离散数学、编程语言、数据结构、数字逻辑等计算机专业的学科基础课也很重要，除了计算机专业，其他使用计算机的专业如自动化专业、电子专业也在学。
发展以CPU和操作系统为代表的自主基础软硬件，是国家的战略需求，而培养会“造计算机”而不仅是会“用计算机”的人才，是满足该战略需求的必要条件。
本书由国内从事微处理器设计的一线科研人员编写而成。作者从微处理器设计的角度出发，充分考虑计算机体系结构的学科完整性，强调体系结构、基础软件、电路和器件的融会贯通。全书共分12章，包括指令系统结构、计算机硬件结构、CPU微结构、并行处理结构、计算机性能分析等主要内容，重点放在作为软硬件界面的指令系统结构，以及包含CPU、GPU、南北桥协同的计算机硬件结构上。
本书特色
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系统性。计算机系统结构研究的是“系统”而非“结构”，既要上知应用程序、编译程序和操作系统等“天文”知识，还要下知逻辑、电路和集成电路工艺等“地理”知识，把体系结构、基础软件、电路和器件融会贯通，才能做好体系结构设计。
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基础性。计算机体系结构千变万化，但几十年发展下来，沉淀下来的原理性的东西不多，作者对计算机体系结构技术进行了仔细的鉴别、分析、选择，仅将一些内在的、本质的东西写入教材。
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实践性。计算机体系结构是实践性很强的学科，作者强调要设计在“硅”上实现而非“纸”上实现的体系结构。
本书结构
本书第一部分为引言，介绍体系结构研究内容、主要性能指标、发展趋势以及设计原则。计算机体系结构（Computer Architecture）是描述计算机各组成部分及其相互关系的一组规则和方法，是程序员所看到的计算机属性。计算机体系结构的主要研究内容包括指令系统结构（Instruction Set Architecture，简称ISA）和计算机组织结构（ComputerOrganization）。微体系结构（Micro-architecture）是微处理器的组织结构，并行体系结构是并行计算机的组织结构。冯·诺依曼结构的存储程序和指令驱动执行原理是现代计算机体系结构的基础。
本书第二部分介绍以指令系统结构为核心的软硬件界面，包括指令系统总体介绍、指令集结构、异常与中断、存储管理、软硬件协同等内容。贯穿该部分内容的一个核心思想是建立高级语言（如C语言）与指令系统结构的关系。例如，C语言的语句与指令系统的关系，算术语句可直接映射为相关运算指令，for循环映射为条件跳转，switch语句映射为跳转索引和跳转表等；操作系统中地址空间的组织与指令访问内存的关系，静态全局变量映射到地址空间的静态数据区，局部变量映射到堆栈区，动态分配的数据则映射到进程空间的堆中；操作系统中进程和线程的表示及切换在指令和地址映射方面的具体体现；敲击键盘和移动鼠标等事件如何通过指令系统的外部中断传递到CPU，以及指令系统对操作系统处理外部中断的必要支持；等等。
本书第三部分介绍计算机硬件结构。该部分的核心思想是搞清楚计算机内部，包括CPU、GPU、内存、IO之间是如何协同完成软件规定的各种操作的。例如，在计算机开机过程中，BIOS完成硬件初始化后把操作系统从硬盘拷贝到内存执行的过程中南北桥与CPU是如何配合的；CPU和GPU是如何协同操作完成计算机屏幕显示的，在显示过程中哪些活是CPU干的，哪些活是GPU干的；以太网接口、USB接口等各种接口的驱动在硬件上的具体体现是什么；等等。
本书第四部分介绍微结构。该部分的核心思想是建立指令系统和晶体管之间的“桥梁”。微结构是决定CPU性能的关键因素。由于微结构是“计算机体系结构”硕士课程的主要内容，因此本科课程的微结构内容在追求系统地介绍有关概念的基础上，重点把先行进位加法器和五级静态流水线讲透，希望学生通过对先行进位加法器、五级静态流水线、简单转移猜测和高速缓存原理的深入了解，举一反三地了解微结构的实现方式。微结构中动态流水线、乱序执行和多发射等内容只做概念性的介绍。
本书第五部分介绍并行处理结构。应用程序的并行行为是并行处理的基础，现代计算机通过多层次的并行性开发来提高性能。并行处理编程模型包括消息传递模型（如MPI）和共享存储模型（如OpenMP）等。多核处理器的设计需要考虑存储一致性模型、高速缓存一致性协议、片上互连、多核同步等核心问题。
本书第六部分介绍计算机的性能分析方法。性能不是由一两个具体指标（如主频）决定的，而是若干因素综合平衡的结果；性能评测也没有绝对合理公平的办法，不同的计算机对不同的应用适应性不一样，对某类应用甲计算机比乙计算机性能高，对另外一类应用可能反之。巨大的设计空间和工作负载的多样性，导致计算机系统的性能分析和评价成为一个非常艰巨的任务。计算机性能分析的主要方法包括理论建模，用模拟器进行性能模拟，以及对实际系统进行性能评测等。
第3版更新
第3版对内容做了修订和完善，在讲解指令系统实例时，更新为使用LoongArch指令系统，并且进一步强调计算机软硬件协同方面的内容。第3版的主要改进内容包括以下三个方面。
一是加强计算机软硬件协同方面的内容。如第4章中对应用程序二进制接口（ApplicationBinary Interface，简称ABI）的描述更加清楚，增加了操作系统中关于用户程序地址空间分布的内容，并介绍了函数调用、例外处理、系统调用、线程切换、进程切换和虚拟机切换等六种场景的现场保留和恢复过程，希望读者可以通过上述过程更深入地了解计算机系统软硬件的配合。又如第7章在介绍计算机系统启动过程时把串口作为一只“麻雀”进行解剖，希望读者可以借此了解CPU对IO设备的访问与对内存的访问的不同。这样的地方还有不少。
二是对部分内容进行调整以使之更完整和适用。如第3章的特权指令系统部分，从例外、中断、存储管理等方面更详细地分析了操作系统内核专用的特权指令系统的内容。第12章的性能分析部分，在详细介绍Perf性能分析工具的基础上去掉了对Oprofile性能分析工具的介绍，适当缩减了性能测试与分析的具体案例内容，突出基准程序性能测试、Perf微结构数据统计和微测试程序（Microbench）等不同角度的方法与工具在性能分析工作中的应用。
三是在指令系统举例时使用LoongArch指令系统而不是MIPS指令系统。LoongArch是由龙芯团队在2020年推出的新型RISC指令系统。该指令系统摒弃了传统指令系统中部分不适应当前软硬件设计技术发展趋势的陈旧内容，吸纳了近年来指令系统设计领域诸多先进的技术发展成果，有助于硬件实现高性能低功耗的设计，也有利于软件的编译优化以及操作系统、虚拟机的开发。
作者简介
胡伟武
现任中国科学院计算技术研究所研究员、博士生导师，龙芯中科技术股份有限公司董事长、龙芯CPU首席科学家。主要研究方向为计算机系统结构和微处理器设计，作为总设计师成功研制多款国产龙芯高性能通用CPU。主持国家自然科学基金、国家863高技术研究、国家“核高基”科技重大专项、中国科学院知识创新工程等项目10余项。曾先后获“中科院科技进步二等奖”“中科院院长奖学金特别奖”“全国首届优秀博士论文奖”“中国科学院第五届优秀青年”“中国科学院第七届杰出青年”“全国青年五四奖章”等奖励。
目录
丛书序言
推荐序
第3版自序
第2版自序
前言
第一部分 引言
第1章 引言2
1.1 计算机体系结构的研究内容2
1.1.1 一以贯之2
1.1.2 什么是计算机5
1.1.3 计算机的基本组成6
1.2 衡量计算机的指标9
1.2.1 计算机的性能9
1.2.2 计算机的价格11
1.2.3 计算机的功耗12
1.3 计算机体系结构的发展13
1.3.1 摩尔定律和工艺的发展15
1.3.2 计算机应用和体系结构19
1.3.3 计算机体系结构发展20
1.4 体系结构设计的基本原则22
1.4.1 平衡性22
1.4.2 局部性24
1.4.3 并行性24
1.4.4 虚拟化25
1.5 本章小结26
习题26
第二部分 指令系统结构
第2章 指令系统30
2.1 指令系统简介30
2.2 指令系统设计原则30
2.3 指令系统发展历程32
2.3.1 指令内容的演变32
2.3.2 存储管理的演变34
2.3.3 运行级别的演变36
2.4 指令系统组成37
2.4.1 地址空间37
2.4.2 操作数39
2.4.3 指令操作和编码41
2.5RISC指令集比较43
2.5.1 指令格式比较43
2.5.2 寻址方式比较44
2.5.3 公共指令功能44
2.5.4 不同指令系统的特色46
2.6C语言的机器表示47
2.6.1 过程调用48
2.6.2 流程控制语句49
2.7 本章小结52
习题52
第3章 特权指令系统53
3.1 特权指令系统简介53
3.2 异常与中断56
3.2.1 异常分类56
3.2.2 异常处理58
3.2.3 中断60
3.3 存储管理62
3.3.1 存储管理的原理63
3.3.2TLB的结构和使用64
3.3.3TLB地址翻译相关异常的处理70
3.4 本章小结73
习题74
第4章 软硬件协同75
4.1 应用程序二进制接口75
4.1.1 寄存器约定76
4.1.2 函数调用约定78
4.1.3 进程虚拟地址空间82
4.1.4 栈帧布局84
4.2 六种常见的上下文切换场景87
4.2.1 函数调用87
4.2.2 异常和中断88
4.2.3 系统调用89
4.2.4 进程91
4.2.5 线程92
4.2.6 虚拟机93
4.2.7 六种上下文切换场景的对比94
4.3 同步机制94
4.3.1 基于互斥的同步机制95
4.3.2 非阻塞的同步机制96
4.4 本章小结97
习题97
第三部分 计算机硬件结构
第5章 计算机组成原理和结构100
5.1 冯·诺依曼结构100
5.2 计算机的组成部件101
5.2.1 运算器101
5.2.2 控制器103
5.2.3 存储器105
5.2.4 输入/输出设备110
5.3 计算机系统硬件结构发展113
5.3.1CPU-GPU-北桥-南桥四片结构113
5.3.2CPU-北桥-南桥三片结构114
5.3.3CPU-弱北桥-南桥三片结构114
5.3.4CPU-南桥两片结构115
5.3.5SoC单片结构116
5.4 处理器和IO设备间的通信116
5.4.1IO寄存器寻址117
5.4.2 处理器和IO设备之间的同步117
5.4.3 存储器和IO设备之间的数据传送119
5.4.4 龙芯3A3000+7A1000桥片系统中的CPU、GPU、DC通信120
5.5 本章小结122
习题122
第6章 计算机总线接口技术124
6.1 总线概述125
6.2 总线分类125
6.3 片上总线126
6.4 内存总线132
6.5 系统总线139
6.5.1HyperTransport总线140
6.5.2HT包格式143
6.6 设备总线145
6.6.1PCIE总线145
6.6.2PCIE包格式146
6.7 本章小结147
习题148
第7章 计算机系统启动过程分析149
7.1 处理器核初始化149
7.1.1 处理器复位150
7.1.2 调试接口初始化152
7.1.3TLB初始化156
7.1.4Cache初始化157
7.2 总线接口初始化160
7.2.1 内存初始化160
7.2.2IO总线初始化161
7.3 设备的探测及驱动加载162
7.4 多核启动过程167
7.4.1 初始化时的多核协同167
7.4.2 操作系统启动时的多核唤醒168
7.4.3 核间同步与通信169
7.5 本章小结170
习题170
第四部分 CPU微结构
第8章 运算器设计172
8.1 二进制与逻辑电路172
8.1.1 计算机中数的表示172
8.1.2MOS晶体管工作原理178
8.1.3CMOS逻辑电路180
8.2 简单运算器设计188
8.2.1 定点补码加法器188
8.2.2 减法运算实现193
8.2.3 比较运算实现194
8.2.4 移位器194
8.3 定点补码乘法器195
8.3.1 补码乘法器196
8.3.2Booth乘法器198
8.3.3 华莱士树202
8.4 本章小结206
习题206
第9章 指令流水线208
9.1 单周期处理器208
9.2 流水线处理器210
9.3 指令相关和流水线冲突213
9.3.1 数据相关引发的冲突及解决办法214
9.3.2 控制相关引发的冲突及解决办法216
9.3.3 结构相关引发的冲突及解决办法219
9.4 流水线与异常处理219
9.5 提高流水线效率的技术220
9.5.1 多发射数据通路220
9.5.2 动态调度221
9.5.3 转移预测225
9.5.4 高速缓存229
9.6 本章小结231
习题232
第五部分 并行处理结构
第10章 并行编程基础236
10.1 程序的并行行为236
10.1.1 指令级并行性236
10.1.2 数据级并行性237
10.1.3 任务级并行性237
10.2 并行编程模型238
10.2.1 单任务数据并行模型…238
10.2.2 多任务共享存储编程模型238
10.2.3 多任务消息传递编程模型239
10.2.4 共享存储与消息传递编程模型的编程复杂度239
10.3 典型并行编程环境242
10.3.1 数据并行SIMD编程242
10.3.2POSIX编程标准244
10.3.3OpenMP标准247
10.3.4MPI消息传递编程接口253
10.4 本章小结259
习题259
第11章 多核处理结构260
11.1 多核处理器的发展演化260
11.2 多核处理器的访存结构263
11.2.1 通用多核处理器的片上Cache结构263
11.2.2 存储一致性模型265
11.2.3Cache一致性协议267
11.3 多核处理器的互连结构272
11.4 多核处理器的同步机制278
11.5 典型多核处理器282
11.5.1 龙芯3A5000处理器282
11.5.2Intel SandyBridge架构…284
11.5.3IBM Cell处理器286
11.5.4NVIDIA GPU287
11.5.5Tile64处理器289
11.6 本章小结289
习题291
第六部分 系统评价与性能分析
第12章 计算机系统评价和性能分析294
12.1 计算机系统性能评价指标294
12.1.1 计算机系统常用性能评价指标295
12.1.2 并行系统的性能评价指标299
12.2 测试程序集300
12.2.1 微基准测试程序301
12.2.2SPEC CPU基准测试程序310
12.2.3 并行系统基准测试程序316
12.2.4 其他常见的基准测试程序集319
12.3 性能分析方法320
12.3.1 分析建模的方法322
12.3.2 模拟建模的方法和模拟器322
12.3.3 性能测量的方法325
12.4 性能测试和分析实例334
12.4.1SPEC CPU基准测试程序的分值对比335
12.4.2 微结构相关统计数据338
12.4.3 基础性能参数344
12.5 本章小结348
习题348
总结：什么是计算机体系结构350
参考文献359
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原文始发于微信公众号（Linux学习）：《计算机体系结构基础（第3版）》来了，龙芯团队出品
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