本書介紹了在現(xiàn)代處理器和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中使用的關(guān)鍵技術(shù)和組件，并針對具體需求討論了不同體系結(jié)構(gòu)的決策如何影響計(jì)算機(jī)的配置優(yōu)化。
簡單來說，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是一種復(fù)雜的設(shè)備。然而，當(dāng)以層次化的方式來看時，每一層的復(fù)雜功能就變得明晰了。本書涵蓋了眾多主題，但只對各個主題進(jìn)行有限深度的探討。本書的目標(biāo)是對現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備進(jìn)行簡單明了的介紹，包括其中可能出現(xiàn)的每一項(xiàng)重要技術(shù)和每一個子系統(tǒng)，并闡釋設(shè)備與其他系統(tǒng)組件之間的關(guān)系。
本書不會提供一份冗長的參考書單，如果讀者想深入閱讀，可以自行在互聯(lián)網(wǎng)上查找相關(guān)內(nèi)容。
學(xué)完本書，讀者將掌握目前在廣泛多樣的數(shù)字系統(tǒng)中所使用的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，還將了解體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，以及未來幾年可能出現(xiàn)的一些顛覆性技術(shù)，這些突破或許會極大地影響計(jì)算系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
目標(biāo)讀者
本書適用于軟件開發(fā)人員、計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生、系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、逆向工程師，以及所有希望理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（從微型嵌入式設(shè)備到智能手機(jī)，再到倉儲規(guī)模的云服務(wù)器群等）的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原則的人。
本書內(nèi)容
本書共14章，各章主要內(nèi)容如下：
第1章從自動化計(jì)算設(shè)備的簡史開始，介紹了推動設(shè)備性能飛躍的重大技術(shù)進(jìn)步。之后討論了摩爾定律，評估了其在過去幾十年的適用性和對未來的影響。后以6502微處理器為例，介紹了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念。
第2章介紹了作為開關(guān)元件的晶體管，并解釋了其在構(gòu)造邏輯門中的應(yīng)用。然后介紹了如何結(jié)合簡單的門來構(gòu)建觸發(fā)器和寄存器。該章還介紹了時序邏輯（即包含狀態(tài)信息的邏輯），后討論了時鐘數(shù)字電路。
第3章從通用處理器的概念性描述開始介紹組成處理器的要素。該章討論了指令集、寄存器集、指令加載、解碼、執(zhí)行和排序的概念，還討論了內(nèi)存的加載和存儲操作。該章還涵蓋了分支指令及其在循環(huán)處理和條件處理中的應(yīng)用。后介紹了導(dǎo)致中斷處理和I/O操作的一些實(shí)際因素。
第4章討論了包括多級緩存在內(nèi)的計(jì)算機(jī)存儲及其與處理器的接口，講述了包括中斷處理、緩沖和專用I/O處理器在內(nèi)的I/O需求。該章還討論了鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器和網(wǎng)絡(luò)接口等I/O設(shè)備的一些特定需求。后給出了這些組件在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的實(shí)例，包括智能移動設(shè)備、個人計(jì)算機(jī)、游戲系統(tǒng)、云服務(wù)器和專用機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
第5章討論了如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)必須提供的高級服務(wù)，包括磁盤I/O、網(wǎng)絡(luò)通信以及與用戶交互。該章描述了從處理器指令集和寄存器級別開始實(shí)現(xiàn)這些特性的軟件層。后介紹了引導(dǎo)、多處理和多線程等操作系統(tǒng)功能。
第6章探索了對大多數(shù)用戶不直接可見的計(jì)算領(lǐng)域，包括實(shí)時系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和GPU處理。該章還討論了與每個計(jì)算領(lǐng)域相關(guān)的特定需求，并介紹了實(shí)現(xiàn)這些特性的現(xiàn)代設(shè)備。
第7章深入研究了馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)、哈佛體系結(jié)構(gòu)和改進(jìn)型哈佛體系結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代處理器體系結(jié)構(gòu)。該章討論了分頁虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)，介紹了內(nèi)存管理功能在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，并描述了內(nèi)存管理單元的功能。
第8章討論了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的性能提升技術(shù)，這些技術(shù)旨在使系統(tǒng)達(dá)到峰值執(zhí)行速度。該章主要介紹提高系統(tǒng)性能的重要技術(shù)，包括緩存、指令流水線、指令并行和SIMD處理。
第9章重點(diǎn)關(guān)注通常在處理器指令集級別實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展，以提供超出一般數(shù)據(jù)處理需求的附加系統(tǒng)功能。提供的擴(kuò)展包括特權(quán)模式、浮點(diǎn)數(shù)、功耗管理和系統(tǒng)安全管理。
第10章研究了現(xiàn)代處理器（x86、x64和ARM等）設(shè)計(jì)中的體系結(jié)構(gòu)和指令集特性。處理器長達(dá)幾十年的多輪更新?lián)Q代往往面臨兼容性挑戰(zhàn)，對歷史特性的支持需求往往會增加下一代處理器的復(fù)雜性。該章研究了由支持計(jì)算機(jī)歷史特性需求引起的處理器體系結(jié)構(gòu)的一些問題。
第11章介紹了RISC-V處理器體系結(jié)構(gòu)及其指令集。RISC-V是一個完全開源、免費(fèi)的精簡指令集計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范。其完整的用戶模式（非特權(quán)）指令集規(guī)范已經(jīng)發(fā)布，并且當(dāng)前有許多該體系結(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)可用。對指令集進(jìn)行多種擴(kuò)展的規(guī)范開發(fā)工作正在進(jìn)行中。該章涵蓋RISC-V體系結(jié)構(gòu)的特性和可用變體，介紹了其指令集，還討論了RISC-V體系結(jié)構(gòu)在移動設(shè)備、個人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器中的應(yīng)用。
第12章介紹了與處理器虛擬化相關(guān)的概念，闡述了虛擬化帶來的好處。該章介紹了基于開源工具和操作系統(tǒng)的虛擬化實(shí)例，這些開源工具可以在通用計(jì)算機(jī)上執(zhí)行各種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的指令集精確表示。該章還討論了虛擬化在開發(fā)和部署實(shí)際的應(yīng)用程序中的好處。
第13章結(jié)合前幾章討論的主題，開發(fā)了一種方法來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以滿足用戶的獨(dú)特需求。該章討論了一些具體的應(yīng)用程序類別，包括移動設(shè)備、個人計(jì)算機(jī)、游戲系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
第14章展望計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的未來。該章回顧了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中的重大進(jìn)步和當(dāng)前的發(fā)展趨勢，并推斷了這些趨勢可能的發(fā)展方向，還討論了可能改變計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的潛在顛覆性技術(shù)。后，該章為計(jì)算機(jī)架構(gòu)師的發(fā)展提供了建議，以幫助他們適應(yīng)未來的發(fā)展。
如何利用本書
本書每一章的末尾都有一個習(xí)題集，建議