這是一本從嵌入式角度探索計算硬件和軟件原理的綜合教科書。本書將逐步揭示如何在現實世界中運用這些計算原理構建計算機系統，從小型嵌入式設備到倉庫大小的計算機集群，以及這些概念是如何通過互聯網在全球范圍內相互連接的。《計算機系統：嵌入式方法》首先會完整地講述主要的硬件組件——包括處理器、內存、存儲設備與性能加速器；接著又充分探討操作系統、連接以及網絡。通過此書，您將了解計算機硬件和軟件是如何協同工作來支持無處不在的計算、物聯網、移動計算技術以及*小到*大的應用和程序。
出版者的話
譯者序
前言
致謝
關于作譯者
第1章 引言1
1.1 計算機的進化1
1.2 進化過程1
1.3 計算機發展階段劃分4
1.3.1 第一代計算機4
1.3.2 第二代計算機5
1.3.3 第三代計算機5
1.3.4 第四代計算機6
1.3.5 第五代計算機7
1.4 云、普適、網格和超并行計算機7
1.5 未來8
1.6 小結10
第2章 基礎知識11
2.1 計算機組成11
2.1.1 Flynn分類法11
2.1.2 連接方式12
2.1.3 計算機結構層次視圖13
2.2 計算機基本原理13
2.3 數字格式16
2.3.1 無符號二進制16
2.3.2 原碼17
2.3.3 反碼17
2.3.4 補碼17
2.3.5 移碼18
2.3.6 BCD碼19
2.3.7 定點數表示法19
2.3.8 符號擴展20
2.4 算術運算20
2.4.1 加法20
2.4.2 并行進位傳遞加法器20
2.4.3 超前進位22
2.4.4 減法22
2.5 乘法24
2.5.1 加法迭代法24
2.5.2 部分積方法25
2.5.3 移位加方法27
2.5.4 Booth和Robertson方法27
2.6 除法29
2.7 定點數格式的運算30
2.7.1 定點數的運算31
2.7.2 定點數的乘除32
2.8 浮點數32
2.8.1 廣義浮點數33
2.8.2 IEEE754浮點標準33
2.8.3 IEEE754標準模式34
2.8.4 IEEE754數的范圍36
2.9 浮點數處理38
2.9.1 IEEE754數的加減運算39
2.9.2 IEEE754數的乘除運算41
2.9.3 IEEE754中間格式41
2.9.4 舍入42
2.10 小結42
思考題43
第3章 CPU基礎45
3.1 什么是計算機45
3.2 讓計算機為你服務45
3.2.1 程序存儲46
3.2.2 存儲架構46
3.2.3 程序傳輸47
3.2.4 控制單元48
3.2.5 微指令52
3.2.6 RISC和CISC的對比53
3.2.7 處理器實例——ARM55
3.2.8 關于ARM的更多內容56
3.3 指令處理56
3.3.1 指令集57
3.3.2 取指和譯碼59
3.3.3 壓縮指令集63
3.3.4 尋址模式65
3.3.5 堆棧機和逆波蘭表示法67
3.4 數據處理68
3.4.1 數據的格式和表達68
3.4.2 數據流71
3.4.3 數據存儲72
3.4.4 內部數據72
3.4.5 數據處理73
3.5 自頂向下方法75
3.5.1 計算機的能力75
3.5.2 性能衡量和統計76
3.5.3 性能評估78
3.6 小結79
思考題80
第4章 處理器內部組成82
4.1 內部總線結構82
4.1.1 程序員的角度82
4.1.2 分解互聯排列83
4.1.3 ADSP21xx總線排列84
4.1.4 數據與程序同時訪存84
4.1.5 雙總線體系結構86
4.1.6 單總線體系結構87
4.2 算術邏輯單元88
4.2.1 ALU功能88
4.2.2 ALU設計89
4.3 內存管理單元91
4.3.1 對虛擬存儲的需求91
4.3.2 MMU操作91
4.3.3 退回算法93
4.3.4 內部存儲碎片和片段93
4.3.5 外部碎片94
4.3.6 改進的MMU95
4.3.7 內存保護96
4.4 cache97
4.4.1 直接相聯cache98
4.4.2 組相聯cache99
4.4.3 全相聯cache100
4.4.4 局部性原則100
4.4.5 cache替換算法102
4.4.6 cache性能104
4.4.7 cache一致性105
4.5 協處理器107
4.6 浮點運算單元107
4.7 SIMD流指令擴展和多媒體擴展109
4.7.1 MMX109
4.7.2 MMX實現110
4.7.3 MMX的使用111
4.7.4 SIMD流指令擴展111
4.7.5 使用SSE和MMX111
4.8 嵌入式系統中的協處理112
4.9 小結112
思考題113
第5章 提高CPU性能116
5.1 加速116
5.2 流水線117
5.2.1 多功能流水線118
5.2.2 動態流水線119
5.2.3 改變流水線模式119
5.2.4 數據相關冒險121
5.2.5 條件冒險122
5.2.6 條件分支123
5.2.7 編譯時流水線補償125
5.2.8 相對地址分支126
5.2.9 流水線的指令集補償127
5.2.10 運行時流水線補償128
5.3 復雜指令集和精簡指令集130
5.4 超標量體系結構130
5.4.1 簡單超標量130
5.4.2 多發送超標量132
5.4.3 超標量的性能133
5.5 每周期的指令數133
5.5.1 不同體系結構的IPC133
5.5.2 IPC度量134
5.6 硬件加速器135
5.6.1 零開銷循環135
5.6.2 地址處理硬件137
5.6.3 影子寄存器140
5.7 分支預測140
5.7.1 分支預測的必要性141
5.7.2 單T位預測器142
5.7.3 雙位預測器143
5.7.4 計數器和移位器預測器145
5.7.5 局部分支預測器145
5.7.6 全局分支預測器148
5.7.7 G選擇預測器149
5.7.8 G共享預測器150
5.7.9 混合預測器151
5.7.10 分支目標緩沖152
5.7.11 基本代碼段153
5.7.12 分支預測總結154
5.8 并行機器155
5.8.1 SISD向MIMD的演變157
5.8.2 為提高性能而采用并行159
5.8.3 其他并行處理160
5.9 Tomasulo算法163
5.9.1 Tomasulo算法的原理163
5.9.2 Tomasulo系統的例子164
5.9.3 嵌入式系統中的Tomasulo算法167
5.10 超長指令架構集168
5.10.1 什么是VLIW168
5.10.2 VLIW的優勢169
5.10.3 VLIW的瓶頸170
5.10.4 與超標量處理器的比較170
5.11 小結171
思考題171
第6章 外部總線174
6.1 總線接口174
6.1.1 總線控制信號175
6.1.2 直接存儲器存取175
6.2 并行總線規范176
6.3 標準接口177
6.3.1 系統控制接口177
6.3.2 系統數據總線178
6.3.3 輸入/輸出總線182
6.3.4 外設器件總線182
6.3.5 與網絡設備的接口183
6.4 實時性問題183
6.4.1 外部激勵184
6.4.2 中斷184
6.4.3 實時性定義184
6.4.4 時間范圍參數185
6.4.5 硬件體系結構對實時操作系統的支持186
6.5 中斷和中斷處理187
6.5.1 中斷的重要性187
6.5.2 中斷過程187
6.5.3 高級中斷處理191
6.5.4 共享中斷191
6.5.5 可重入代碼192
6.5.6 軟件中斷192
6.6 嵌入式無線連接192
6.6.1 無線技術192
6.6.2 無線接口194
6.6.3 無線相關問題194
6.7 小結194
思考題195
第7章 實用嵌入式CPU198
7.1 概述198
7.2 微處理器不只是核198
7.3 功能需求200
7.4 時鐘203
7.5 時鐘與功耗205
7.5.1 傳輸延遲206
7.5.2 電流相關問題206
7.5.3 時鐘問題解決方法207
7.5.4 低電壓設計207
7.6 存儲208
7.6.1 早期的計算機存儲208
7.6.2 只讀存儲器209
7.6.3 隨機存取存儲器213
7.7 分頁與重疊220
7.8 嵌入式系統中的存儲221
7.8.1 非易失存儲器222
7.8.2 其他存儲器224
7.9 測試和驗證225
7.9.1 集成電路設計和制造問題225
7.9.2 BIST226
7.9.3 JTAG228
7.10 錯誤檢測和糾正230
7.11 看門狗定時器和復位監測233
7.12 逆向工程235
7.12.1 逆向工程過程236
7.12.2 詳細的物理布局239
7.13 防止逆向工程242
7.13.1 存儲程序的被動模糊243
7.13.2 可編程邏輯家族244
7.13.3 主動RE防范244
7.13.4 主動RE防范分類245
7.14 軟核處理器246
7.14.1 微處理器不僅僅是核心246
7.14.2 軟核處理器的優點246
7.15 硬件軟件協同設計248
7.16 商業處理器內核251
7.17 小結252
思考題252
第8章 編程254
8.1 運行一個程序254
8.1.1 執行的含義255
8.1.2 注意事項257
8.2 編寫程序258
8.2.1 編譯型語言258
8.2.2 解釋型語言261
8.3 UNIX編程模型263
8.3.1 shell263
8.3.2 重定向和數據流264
8.3.3 實用軟件266
8.4 小結266
思考題266
第9章 操作系統268
9.1 操作系統的含義268
9.2 為什么需要操作系統268
9.2.1 操作系統的特征269
9.2.2 操作系統的類型270
9.3 操作系統的作用271
9.3.1 資源管理271
9.3.2 虛擬機271
9.3.3 CPU時間272
9.3.4 內存管理273
9.3.5 存儲和歸檔274
9.3.6 保護和錯誤處理274
9.4 操作系統的結構275
9.4.1 分層操作系統276
9.4.2 客戶端-服務器操作系統277
9.5 啟動277
9.5.1 從并行閃存啟動278
9.5.2 從HDD/SSD啟動279
9.5.3 啟動之后280
9.6 進程281
9.7 調度283
9.8 存儲與文件系統286
9.8.1 二級存儲286
9.8.2 文件系統的作用289
9.8.3 什么是文件系統291
9.8.4 備份297
9.9 小結298
思考題298
第10章 連接性300
10.1 連接的原因與方法300
10.1.1 一對一通信300
10.1.2 一對多通信301
10.1.3 包交換302
10.1.4 簡單通信拓撲303
10.2 系統要求304
10.2.1 分組化304
10.2.2 編碼與解碼305
10.2.3 傳輸305
10.2.4 接收305
10.2.5 錯誤控制306
10.2.6 連接管理309
10.3 可擴展性、效率與重復利用310
10.4 OSI分層311
10.5 拓撲與架構311
10.5.1 分層網絡312
10.5.2 主從架構312
10.5.3 對等架構313
10.5.4 點對點連接313
10.5.5 移動性與切換313
10.6 小結314
思考題314
第11章 網絡系統316
11.1 因特網316
11.1.1 因特網的歷史317
11.1.2 因特網治理317
11.2 TCP/IP和IP層模型318
11.3 以太網概述321
11.3.1 以太網數據格式322
11.3.2 以太網封裝323
11.3.3 以太網載波偵聽324
11.4 網絡層325
11.4.1 IP地址325
11.4.2 網絡數據包格式326
11.4.3 路由327
11.4.4 單播與多播327
11.4.5 任播328
11.4.6 命名328
11.4.7 域名服務器329
11.5 傳輸層331
11.5.1 端口號331
11.5.2 UDP332
11.5.3 TCP332
11.5.4 UDP與TCP對比333
11.6 其他信息333
11.6.1 地址解析協議333
11.6.2 控制信息334
11.7 無線連通性334
11.7.1 WiFi334
11.7.2 WiMax335
11.7.3 藍牙335
11.7.4 ZigBee336
11.7.5 近場通信336
11.8 網絡量表336
11.9 小結337
思考題337
第12章 未來338
12.1 單比特結構338
12.1.1 比特-串行加法339
12.1.2 比特-串行減法340
12.1.3 比特-串行邏輯和處理340
12.2 多并行機器341
12.2.1 小型CPU集群341
12.2.2 并行和集群處理注意事項345
12.2.3 互連策略345
12.3 異步處理器347
12.3.1 數據流控制348
12.3.2 避免管道冒險349
12.4 替代數字格式系統349
12.4.1 多值邏輯350
12.4.2 有符號數字表示350
12.5 光學計算353
12.5.1 電-光全加器353
12.5.2 電-光底板354
12.6 是科幻小說還是未來的現實355
12.6.1 分布式計算356
12.6.2 濕件356
12.7 小結357
附錄A 標準內存大小表示方法358
附錄B 標準邏輯門360
索引361
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