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计算机系统:系统架构与操作系统的高度集成.[美]Umakishore Ramachandran(带详细书签).pdf 评分:

本书采用集成方法,系统地讲解了计算机系统的软件和硬件知识。全书分为5个模块:处理器、内存系统、存储系统、并行系统和网络,分别介绍并讨论了处理器及其相关的软件问题、内存系统和内存分级体系、I/O和文件系统、操作系统问题及支持并行编程的多处理器中相应体系结构特点、网络硬件的发展和处理各种网络行为的网络协议堆的特点等。 第1章 概述 1 1.1 盒子里有什么 1 1.2 计算机系统中的抽象层次 1 1.3 操作系统的作用 3 1.4 盒子里正在发生什么事 5 1.4.1 在计算机上启动应用程序 7 1.5 计算机硬件的演化 7 1.6 操作系统的演化 9 1.7 本书导读 9 练习题 10 参考文献注释和扩展阅读 10 第2章 处理器体系结构 12 2.1 处理器设计涉及什么 12 2.2 如何设计指令集 13 2.3 常见的高级语言功能集 13 2.4 表达式和赋值语句 14 2.4.1 操作数放在哪里 14 2.4.2 在指令中如何指定内存地址 17 2.4.3 每个操作数应该有多宽 18 2.4.4 字节序 19 2.4.5 操作数打包以及字操作数的对齐 21 2.5 高级数据抽象 22 2.5.1 结构 23 2.5.2 数组 23 2.6 条件语句和循环 24 2.6.1 if-then-else语句 25 2.6.2 switch语句 26 2.6.3 循环语句 27 2.7 检查点 27 2.8 编译函数调用 27 2.8.1 调用者的状态 28 2.8.2 过程调用剩余的工作 30 2.8.3 软件惯例 31 2.8.4 活动记录 35 2.8.5 递归 36 2.8.6 帧指针 36 2.9 指令集体系结构选择 38 2.9.1 额外的指令 38 2.9.2 额外的寻址模式 39 2.9.3 体系结构类型 39 2.9.4 指令格式 39 2.10 LC-2200指令集 42 2.10.1 指令格式 42 2.10.2 LC-2200寄存器组 43 2.11 影响处理器设计的问题 44 2.11.1 指令集 44 2.11.2 应用程序对指令集设计的影响 45 2.11.3 其他驱动处理器设计的问题 46 小结 47 练习题 47 参考文献注释和扩展阅读 49 第3章 处理器实现 51 3.1 体系结构与实现 51 3.2 处理器实现涉及什么 51 3.3 重要的硬件概念 52 3.3.1 电路 52 3.3.2 数据通路的硬件资源 52 3.3.3 边沿触发逻辑 53 3.3.4 连接数据通路元件 54 3.3.5 基于总线的设计 57 3.3.6 有限状态机 59 3.4 数据通路设计 60 3.4.1 ISA与数据通路宽度 61 3.4.2 时钟脉冲宽度 62 3.4.3 检查点 62 3.5 控制单元设计 62 3.5.1 ROM加状态寄存器 63 3.5.2 FETCH宏状态 65 3.5.3 DECODE宏状态 68 3.5.4 EXECUTE宏状态:ADD指令(R型指令部分) 68 3.5.5 EXECUTE宏状态:NAND指令(R型指令部分) 71 3.5.6 EXECUTE宏状态:JALR指令(J型指令部分) 71 3.5.7 EXECUTE宏状态:LW指令(I型指令部分) 72 3.5.8 EXECUTE宏状态:SW和ADDI指令(I型指令部分) 75 3.5.9 EXECUTE宏状态:BEQ指令(I型指令部分) 75 3.5.10 设计微程序中的条件分支 78 3.5.11 再谈DECODE宏状态 79 3.6 控制单元设计的另一种选择 80 3.6.1 微程序控制 80 3.6.2 硬连线控制 81 3.6.3 在两种控制设计风格中选择 82 小结 82 历史回顾 83 练习题 84 参考文献注释和扩展阅读 86 第4章 中断、陷入及异常 87 4.1 程序执行中的不连续性 88 4.2 处理程序不连续性 89 4.3 处理程序不连续性的体系结构改进 91 4.3.1 修改FSM 91 4.3.2 一个简单的中断处理过程 92 4.3.3 处理级联中断 92 4.3.4 从处理过程中返回 95 4.3.5 检查点 95 4.4 处理程序不连续性的硬件细节 96 4.4.1 中断的数据通路细节 96 4.4.2 获得处理过程地址的细节 97 4.4.3 保存/恢复栈 99 4.5 信息汇总 100 4.5.1 体系结构和硬件改进总结 100 4.5.2 工作中的中断机制 100 小结 102 练习题 103 参考文献注释和扩展阅读 104 第5章 处理器性能与流水线处理器的设计 105 5.1 时间和空间性能指标 105 5.2 指令频率 107 5.3 基准测试程序 108 5.4 提升处理器的性能 111 5.5 加速比 112 5.6 提升处理器的吞吐量 114 5.7 流水线简介 115 5.8 指令处理流水线 115 5.9 简单指令流水线的问题 117 5.10 修正指令流水线里的问题 118 5.11 指令流水线的数据通路元件 120 5.12 针对流水线的体系结构与实现 121 5.12.1 指令穿过流水线的过程详解 122 5.12.2 流水线寄存器的设计 124 5.12.3 各个阶段的实现 125 5.13 冒险 125 5.13.1 结构性冒险 126 5.13.2 数据冒险 126 5.13.3 控制冒险 135 5.13.4 冒险总结 141 5.14 在流水线处理器里处理程序不连续性 142 5.15 处理器设计的高级话题 144 5.15.1 指令级并行 144 5.15.2 更深的流水线 145 5.15.3 在乱序执行下再次讨论程序不连续性 147 5.15.4 管理共享资源 148 5.15.5 功耗 149 5.15.6 多核处理器设计 149 5.15.7 Intel Core微架构:一个流水线 150 小结 151 历史回顾 152 练习题 152 参考文献注释和扩展阅读 156 第6章 处理器调度 157 6.1 引言 157 6.2 程序和进程 158 6.3 调度环境 161 6.4 调度基础 162 6.5 性能指标 165 6.6 非抢占式调度算法 167 6.6.1 先到先服务 167 6.6.2 最短作业优先 170 6.6.3 优先级 171 6.7 抢占式调度算法 172 6.7.1 轮转调度器 175 6.8 结合优先级和抢占 178 6.9 元调度器 178 6.10 评价 179 6.11 调度对处理器体系结构的影响 180 小结和展望 181 Linux调度器—一个案例研究 181 历史回顾 183 练习题 185 参考文献注释和扩展阅读 186 第7章 内存管理技术 187 7.1 内存管理器提供的功能 187 7.2 内存管理的简单方案 189 7.3 内存分配方案 192 7.3.1 固定尺寸分区 192 7.3.2 变长分区 193 7.3.3 缩并 195 7.4 分页虚拟内存 196 7.4.1 页表 197 7.4.2 支持分页的硬件 199 7.4.3 页表的建立 199 7.4.4 虚拟和物理内存的相对大小 200 7.5 分段虚拟内存 200 7.5.1 支持分段的硬件 204 7.6 分页和分段的比较 204 7.6.1 解读CPU生成的地址 206 小结 207 历史回顾 208 MULTICS 209 Intel的内存体系结构 210 练习题 211 参考文献注释和扩展阅读 212 第8章 页式内存管理 213 8.1 按需分页 213 8.1.1 按需分页的硬件 213 8.1.2 页错误处理程序 214 8.1.3 按需分页内存管理的数据结构 214 8.1.4 页错误解析 215 8.2 进程调度器和内存管理器间交互 217 8.3 页替换策略 218 8.3.1 Belady的Min算法 219 8.3.2 随机替换 219 8.3.3 先进先出策略 219 8.3.4 最近最少使用策略 221 8.3.5 第二次机会页替换算法 223 8.3.6 页替换算法回顾 225 8.4 优化内存管理 225 8.4.1 空闲页帧池 225 8.4.2 颠簸 226 8.4.3 工作集 228 8.4.4 颠簸控制 229 8.5 其他考虑 229 8.6 旁路转换缓存 230 8.6.1 TLB的地址转换 231 8.7 内存管理的高级话题 232 8.7.1 多级页表 232 8.7.2 局部页表项的访问权限 234 8.7.3 反向页表 234 小结 234 练习题 234 参考文献注释和扩展阅读 236 第9章 分级存储体系 237 9.1 缓存的概念 238 9.2 局部性原理 238 9.3 基本术语 238 9.4 多级存储层次 239 9.5 缓存结构 241 9.6 直接映射缓存结构 241 9.6.1 缓存查找 243 9.6.2 缓存项中的字段 244 9.6.3 用于直接映射缓存的硬件 245 9.7 流水线处理器设计的影响 247 9.8 缓存读/写算法 247 9.8.1 CPU对缓存的读访问 248 9.8.2 CPU对缓存的写访问 248 9.9 处理器流水线中的缓存缺失处理 251 9.9.1 在流水线性能上缓存缺失对内存延迟的影响 252 9.10 利用空间局部性提高缓存性能 253 9.10.1 增加块大小对性能的影响 256 9.11 灵活的布局策略 257 9.11.1 全相关缓存 258 9.11.2 组相关缓存 259 9.11.3 组相关的极端情况 261 9.12 指令和数据缓存 263 9.13 降低缺失损失 264 9.14 缓存替换策略 264 9.15 缺失类型简要说明 266 9.16 TLB和缓存整合 268 9.17 缓存控制器 269 9.18 虚拟索引物理标记的缓存 270 9.19 缓存设计因素概述 271 9.20 主存的设计因素 272 9.20.1 简单的主存 272 9.20.2 与缓存块大小相匹配的主存和总线 273 9.20.3 交错式内存 273 9.21 现代主存系统分析 274 9.21.1 页式DRAM 278 9.22 分级存储体系的性能影响 279 小结 280 现代处理器的分级存储体系(一个例子) 281 练习题 281 参考文献注释和扩展阅读 283 第10章 输入/输出和稳定性存储 284 10.1 CPU和I/O设备间的通信 284 10.1.1 设备控制器 284 10.1.2 内存映射I/O 285 10.2 程控I/O 287 10.3 DMA 288 10.4 总线 290 10.5 I/O处理器 291 10.6 设备驱动 292 10.6.1 例子 293 10.7 外围设备 295 10.8 磁盘存储器 296 10.8.1 磁盘技术的传奇故事 302 10.9 磁盘调度算法 304 10.9.1 先到先服务 305 10.9.2 最短寻道时间优先 305 10.9.3 SCAN 305 10.9.4 C-SCAN 306 10.9.5 LOOK和C-LOOK 307 10.9.6 磁盘调度总结 307 10.9.7 算法比较 308 10.10 固态硬盘 309 10.11 I/O总线和设备驱动的演化 310 10.11.1 设备驱动的动态负载 311 10.11.2 信息汇总 312 小结 314 练习题 314 参考文献注释和扩展阅读 315 第11章 文件系统 317 11.1 属性 317 11.2 在磁盘子系统上实现文件系统的设计选择 321 11.2.1 连续分配 322 11.2.2 带有溢出区域的连续分配 324 11.2.3 链接分配 324 11.2.4 文件分配表 325 11.2.5 索引分配 327 11.2.6 多级索引分配 328 11.2.7 混合索引分配 328 11.2.8 不同分配策略的比较 331 11.3 信息汇总 331 11.3.1 索引节点 336 11.4 文件系统的组件 336 11.4.1 创建、写入文件的剖析 337 11.5 各种子系统的交互 337 11.6 文件系统在物理媒介上的布局 340 11.6.1 内存中的数据结构 342 11.7 处理系统崩溃 343 11.8 其他物理媒介上的文件系统 343 11.9 现代文件系统一览 344 11.9.1 Linux 344 11.9.2 Microsoft Windows 348 小结 349 练习题 350 参考文献注释和扩展阅读 352 第12章 多线程编程与多处理器 353 12.1 为什么需要多线程 353 12.2 线程所需的编程支持 354 12.2.1 线程创建和终止 354 12.2.2 线程之间的通信 356 12.2.3 读/写冲突、竞争条件及不确定性 357 12.2.4 线程之间的同步 361 12.2.5 线程库中数据类型的内部表示 365 12.2.6 简单的编程示例 366 12.2.7 死锁和活锁 369 12.2.8 条件变量 370 12.2.9 视频处理示例的完整解决方案 373 12.2.10 解决方案的讨论 374 12.2.11 重新检查条件 375 12.3 线程函数调用和多线程编程概念总结 377 12.4 线程编程的一些注意事项 379 12.5 使用线程作为软件结构抽象 379 12.6 POSIX pthread库调用总结 379 12.7 操作系统对线程的支持 382 12.7.1 用户级线程 383 12.7.2 内核级线程 385 12.7.3 Solaris线程:一个内核级线程例子 386 12.7.4 线程和库 387 12.8 在单处理器上的多线程的硬件支持 388 12.8.1 线程创建、终止以及线程间的通信 388 12.8.2 线程之间的同步 388 12.8.3 原子的Test-and-Set指令 388 12.8.4 使用Test-and-Set指令的Lock算法 390 12.9 多处理器 391 12.9.1 页表 391 12.9.2 分级存储体系 391 12.9.3 保证原子性 393 12.10 高级话题 393 12.10.1 操作系统话题 393 12.10.2 架构话题 403 12.10.3 未来之路:多核与众核架构 412 小结 413 历史回顾 414 练习题 415 参考文献注释和扩展阅读 417 第13章 网络与网络协议基础知识 419 13.1 预备知识 419 13.2 基本术语 419 13.3 网络软件 423 13.4 协议栈 424 13.4.1 因特网协议栈 424 13.4.2 OSI模型 426 13.4.3 分层的实际问题 427 13.5 应用层 427 13.6 传输层 428 13.6.1 停止并等待协议 429 13.6.2 流水线协议 431 13.6.3 可靠的流水线协议 432 13.6.4 处理传输错误 436 13.6.5 因特网上的传输协议 437 13.6.6 传输层总结 438 13.7 网络层 439 13.7.1 路由算法 439 13.7.2 因特网寻址 444 13.7.3 网络服务模式 446 13.7.4 网络路由与转发 449 13.7.5 网络层总结 450 13.8 链路层和局域网 450 13.8.1 以太网 451 13.8.2 CSMA/CD 451 13.8.3 IEEE 802.3 453 13.8.4 无线局域网与IEEE 802.11 453 13.8.5 令牌环 454 13.8.6 其他链路层协议 456 13.9 网络硬件 456 13.10 协议栈各层之间的关系 460 13.11 用于数据包传输的数据结构 460 13.11.1 TCP/IP包头 461 13.12 消息传输时间 462 13.13 协议层功能总结 466 13.14 网络软件与操作系统 466 13.14.1 套接字库 467 13.14.2 在操作系统中实现协议栈 468 13.14.3 网络设备驱动程序 468 13.15 使用UNIX套接字进行网络编程 469 13.16 网络服务与高层协议 474 小结 475 历史回顾 475 练习题 480 参考文献注释和扩展阅读 482 第14章 尾声:旅途回顾 483 14.1 处理器设计 483 14.2 进程 483 14.3 虚拟内存系统和内存管理 483 14.4 分级存储体系 484 14.5 并行系统 484 14.6 输入/输出系统 484 14.7 永久性存储 484 14.8 网络 485 结束语 485 附录A 使用UNIX套接字进行网络编程 486 参考文献 495 索引 500
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