计算机组成与设计李伯成完整版

这本最畅销的计算机组成书籍经过全面更新，本书采用了MIPS处理器来展示计算机硬件技术、汇编语言、计算机算术、流水线、存储器层次结构以及I/O等基本功能。

目录

作者简介

第1章　计算机概要与技术1

1.1　引言1

1.1.1　计算应用的分类及其特性2

1.1.2　欢迎来到后PC时代3

1.1.3　你能从本书学到什么4

1.2　计算机系统结构中的8个伟大思想6

1.2.1　面向摩尔定律的设计6

1.2.2　使用抽象简化设计6

1.2.3　加速大概率事件6

1.2.4　通过并行提高性能7

1.2.5　通过流水线提高性能7

1.2.6　通过预测提高性能7

1.2.7　存储器层次7

1.2.8　通过冗余提高可靠性7

1.3　程序概念入门7

1.4　硬件概念入门10

1.4.1　显示器11

1.4.2　触摸屏12

1.4.3　打开机箱12

1.4.4　数据安全15

1.4.5　与其他计算机通信16

1.5　处理器和存储器制造技术17

1.6　性能20

1.6.1　性能的定义20

1.6.2　性能的度量22

1.6.3　CPU性能及其因素23

1.6.4　指令的性能24

1.6.5　经典的CPU性能公式25

1.7　功耗墙27

1.8　沧海巨变：从单处理器向多处理器转变29

1.9　实例：Intel Core i7基准31

1.9.1　SPEC CPU基准测试程序31

1.9.2　SPEC功耗基准测试程序32

1.10　谬误与陷阱33

1.11　本章小结35

1.12　历史观点和拓展阅读36

1.13　练习题36

第2章　指令：计算机的语言40

2.1　引言40

2.2　计算机硬件的操作43

2.3　计算机硬件的操作数44

2.3.1　存储器操作数45

2.3.2　常数或立即数操作数47

2.4　有符号数和无符号数48

2.5　计算机中指令的表示53

2.6　逻辑操作58

2.7　决策指令60

2.7.1　循环61

2.7.2　case/switch语句63

2.8　计算机硬件对过程的支持64

2.8.1　使用更多的寄存器66

2.8.2　嵌套过程67

2.8.3　在栈中为新数据分配空间69

2.8.4　在堆中为新数据分配空间70

2.9　人机交互72

2.10　MIPS中32位立即数和寻址75

2.10.1　32位立即数75

2.10.2　分支和跳转中的寻址76

2.10.3　MIPS寻址模式总结78

2.10.4　机器语言解码79

2.11　并行与指令：同步81

2.12　翻译并执行程序83

2.12.1　编译器83

2.12.2　汇编器84

2.12.3　链接器85

2.12.4　加载器87

2.12.5　动态链接库87

2.12.6　启动一个Java程序89

2.13　以一个C排序程序作为完整的例子90

2.13.1　swap过程90

2.13.2　sort过程91

2.14　数组与指针96

2.14.1　用数组实现clear96

2.14.2　用指针实现clear97

2.14.3　比较两个版本的clear97

2.15　高级内容：编译C语言和解释Java语言98

2.16　实例：ARMv7(32位)指令集98

2.16.1　寻址模式99

2.16.2　比较和条件分支100

2.16.3　ARM的特色100

2.17　实例：x86指令集102

2.17.1　Intel x86的改进102

2.17.2　x86寄存器和数据寻址模式103

2.17.3　x86整数操作105

2.17.4　x86指令编码107

2.17.5　x86总结108

2.18　实例：ARMv8（64位）指令集108

2.19　谬误与陷阱109

2.20　本章小结110

2.21　历史观点和拓展阅读111

2.22　练习题112

第3章　计算机的算术运算117

3.1　引言117

3.2　加法和减法117

3.3　乘法121

3.3.1　顺序的乘法算法和硬件121

3.3.2　有符号乘法124

3.3.3　更快速的乘法124

3.3.4　MIPS中的乘法124

3.3.5　小结125

3.4　除法125

3.4.1　除法算法及其硬件结构125

3.4.2　有符号除法128

3.4.3　更快速的除法128

3.4.4　MIPS中的除法129

3.4.5　小结129

3.5　浮点运算130

3.5.1　浮点表示131

3.5.2　浮点加法135

3.5.3　浮点乘法138

3.5.4　MIPS中的浮点指令139

3.5.5　算术精确性145

3.5.6　小结146

3.6　并行性和计算机算术：子字并行148

3.7　实例：x86中流处理SIMD扩展和高级向量扩展149

3.8　加速：子字并行和矩阵乘法150

3.9　谬误与陷阱153

3.10　本章小结155

3.11　历史观点和拓展阅读158

3.12　练习题159

第4章　处理器162

4.1　引言162

4.2　逻辑设计的一般方法165

4.3　建立数据通路167

4.4　一个简单的实现机制173

4.4.1　ALU控制173

4.4.2　主控制单元的设计175

4.4.3　为什么不使用单周期实现方式181

4.5　流水线概述182

4.5.1　面向流水线的指令集设计186

4.5.2　流水线冒险186

4.5.3　对流水线概述的小结191

4.6　流水线数据通路及其控制192

4.6.1　图形化表示的流水线200

4.6.2　流水线控制203

4.7　数据冒险：旁路与阻塞206

4.8　控制冒险214

4.8.1　假定分支不发生215

4.8.2　缩短分支的延迟215

4.8.3　动态分支预测216

4.8.4　流水线小结220

4.9　异常221

4.9.1　MIPS体系结构中的异常处理221

4.9.2　在流水线实现中的异常222

4.10　指令级并行226

4.10.1　推测的概念227

4.10.2　静态多发射处理器227

4.10.3　动态多发射处理器231

4.10.4　能耗效率与高级流水线233

4.11　实例：ARM Cortex-A8和Intel Core i7流水线234

4.11.1　ARM Cortex-A8235

4.11.2　Intel Core i7 920236

4.11.3　Intel Core i7 920的性能238

4.12　运行更快：指令级并行和矩阵乘法240

4.13　高级主题：通过硬件设计语言描述和建模流水线来介绍数字设计以及更多流水线示例242

4.14　谬误与陷阱242

4.15　本章小结243

4.16　历史观点和拓展阅读243

4.17　练习题243

第5章　大容量和高速度：开发存储器层次结构252

5.1　引言252

5.2　存储器技术255

5.2.1　SRAM技术256

5.2.2　DRAM技术256

5.2.3　闪存258

5.2.4　磁盘存储器258

5.3　cache的基本原理259

5.3.1　cache访问261

5.3.2　cache缺失处理265

5.3.3　写操作处理266

5.3.4　一个cache的例子:内置FastMATH处理器267

5.3.5　小结269

5.4　cache性能的评估和改进270

5.4.1　通过更灵活地放置块来减少cache缺失272

5.4.2　在cache中查找一个块275

5.4.3　替换块的选择276

5.4.4　使用多级cache结构减少缺失代价277

5.4.5　通过分块进行软件优化280

5.4.6　小结283

5.5　可信存储器层次283

5.5.1　失效的定义283

5.5.2　纠正一位错、检测两位错的汉明编码（SEC/DED）284

5.6　虚拟机287

5.6.1　虚拟机监视器的必备条件289

5.6.2　指令集系统结构（缺乏）对虚拟机的支持289

5.6.3　保护和指令集系统结构289

5.7　虚拟存储器290

5.7.1　页的存放和查找293

5.7.2　缺页故障294

5.7.3　关于写297

5.7.4　加快地址转换：TLB297

5.7.5　集成虚拟存储器、TLB和cache 300

5.7.6　虚拟存储器中的保护302

5.7.7　处理TLB缺失和缺页303

5.7.8　小结307

5.8　存储器层次结构的一般框架309

5.8.1　问题1：一个块可以被放在何处309

5.8.2　问题2：如何找到一个块310

5.8.3　问题3：当cache缺失时替换哪一块311

5.8.4　问题4：写操作如何处理311

5.8.5　3C：一种理解存储器层次结构行为的直观模型312

5.9　使用有限状态机来控制简单的cache314

5.9.1　一个简单的cache314

5.9.2　有限状态机315

5.9.3　一个简单的cache控制器的有限状态机316

5.10　并行与存储器层次结构：cache一致性317

5.10.1　实现一致性的基本方案318

5.10.2　监听协议319

5.11　并行与存储器层次结构：冗余廉价磁盘阵列320

5.12　高级内容：实现cache控制器320

5.13　实例：ARM Cortex-A8和Intel Core i7的存储器层次结构320

5.14　运行更快:cache分块和矩阵乘法324

5.15　谬误和陷阱326

5.16　本章小结329

5.17　历史观点和拓展阅读329

5.18　练习题329

第6章　从客户端到云的并行处理器340

6.1　引言340

6.2　创建并行处理程序的难点342

6.3　SISD、MIMD、SIMD、SPMD和向量机345

6.3.1　在x86中的SIMD：多媒体扩展346

6.3.2　向量机346

6.3.3　向量与标量的对比347

6.3.4　向量与多媒体扩展的对比348

6.4　硬件多线程350

6.5　多核和其他共享内存多处理器352

6.6　图形处理单元简介355

6.6.1　NVIDIA GPU体系结构简介356

6.6.2　NVIDIA GPU存储结构357

6.6.3　GPU展望358

6.7　集群、仓储级计算机和其他消息传递多处理器360

6.8　多处理器网络拓扑简介363

6.9　与外界通信：集群网络366

6.10　多处理器测试集程序和性能模型366

6.10.1　性能模型368

6.10.2　Roofline模型369

6.10.3　两代Opteron的比较370

6.11　实例：评测Intel Core i7 960和NVIDIA Tesla GPU的Roofline模型373

6.12　运行更快：多处理器和矩阵乘法376

6.13　谬误与陷阱378

6.14　本章小结379

6.15　历史观点和拓展阅读381

6.16　练习题382

附录A　汇编器、链接器和SPIM仿真器389

附录B　逻辑设计基础437

计算机专业湖北哪个专科学校好？

说起计算机类专业，毫无疑问是当下高考志愿填报的最大热门之一。该类专业除了在就业端有极高的市场需求外，毕业生薪资待遇优厚，尤其是名校毕业生，成了广大考生和家长竞相报考的重点参考因素。计算机类专业毕业生的就业情况在激烈的竞争当中尤为突出——被认为是“最有钱途”专业之一。

专科专业目录中计算机是个大类，计算机专业类包括计算机网络技术、计算机应用技术、软件技术等多个专业。其中，最核心、最基础的专业就是计算机应用技术和计算机网络技术，也是各院校计算机系招生的主要专业，也有很多院校按计算机大类招生。

武汉软件工程职业学院

国家优质专科高等职业院校、国家示范（骨干）高职院校、全国示范性软件职业技术学院、高职高专人才培养工作水平评估“优秀”院校。

国家软件技术实训基地，教育部等六部委确定的“计算机应用与软件技术”、“汽车运用与维修”技能型紧缺人才培养培训基地，全国高职高专计算机类教育师资培训基地；是中国高职教育研究会授予的“高等职业教育国家职业资格教学改革试点院校”。

湖北师范大学文理学院

湖北师范大学文理学院是湖北师范大学下属的一个二本院校，是经教育部批准成立，由湖北师范大学举办的具有独立颁发学历文凭资格，以本科层次教育为主含有专科专业的普通高等学校。该校计算机专业有多个方向，升本率高，就业面广。

武汉职业技术学院

武汉职业技术学院始于1972年创立的长江电讯技术学校，1978年12月，学校更名为武汉无线电工业学校，1999年，教育部正式批准原武汉无线电工业学校和湖北省电子工业学校合并组建武汉职业技术学院，2010年，湖北省工业设计学校、湖北省一轻工业学校并入武汉职业技术学院。

目前，全国几乎所有的高校都开设了计算机类专业，分布于不同层次，既有综合型重点高校，也有普通院校，还有一些高职院校。该专业在各个高校培养特色和优势研究方向上都有很大不同。有的侧重于软件，有的侧重于硬件，有的侧重于计算机网络，有的在信息安全方面颇具特色，方向的选择可能直接影响未来的就业。

应用广泛、就业岗位多

计算机类专业应用性广、交叉面多，覆盖社会各行各业，这就决定了就业领域非常广泛。

在IT类企业中，该类专业毕业生的主要就业岗位有管理类：如项目经理、软件架构师、硬件架构师等;研发类：软件工程师、硬件工程师、系统开发员等;测试类：软件测试工程师、硬件测试工程师、系统测试工程师等;服务销售类：市场营销、售前服务、售后服务、市场推广等。

近年来，软件开发中心、数据中心等单位吸引了很多计算机类专业毕业生，主要从事企、事业数据系统的开发与维护、数据统计与管理等工作。

在政府、科研单位及其他非IT类企业中，软硬件的配备、网络安全、系统维护、网站开发等工作也离不开计算机专业的人才。

师范院校的计算机专业毕业生，可以到小学、中学等单位担任计算机类课程的教学工作。

近年来，计算机同艺术类专业结合，产生了不少新专业，如电脑美术设计、网页设计、影视动画设计、环境艺术设计、数字媒体等。这些专业的学生毕业后可在设计部门、广告公司、装潢公司、网络公司、软件公司、动画公司、企事业广告部等从事美术设计策划与制作、电脑绘画、动画制作、网页设计等工作。

从近年录取情况看，不同层次院校计算机专业录取分数差别很大。

计算机专业的学习压力较大，想要学好这个专业，需要较强的数理基础和外语基础。在报考该专业时，考生要考虑清楚是否真正喜欢这个专业，不要盲目选择。

二是在此分数段中分数较高的考生，一定要发挥分数和学科的优势，选择专业方向和兴趣爱好相符合的院校;低分段的考生选择余地相对较小，可结合自己的实际情况，参考历年录取分数综合选择。

报考这个专业的考生需要活跃的逻辑思维能力，所以它最适合数学成绩好的考生报考。

以计算机类专业为例，各高校首选科目均为物理，大部分院校对再选科目不提要求，仅有部分院校再选科目要求为化学。