计算机系统：嵌入式方法

伊恩·文斯·麦克洛克林(Ian Vince McLoughlin)是英国肯特大学计算机学院院长、计算机教授。 在职业生涯的30多年中，他在三大洲一直从事工业、政府和学术领域工作并专注研究与创新。 他也是一名计算机工程师，曾经参与设计过对流层和太空中的计算系统，以及海底通信网络；在民用领域，他曾将嵌入式设备设计应用到喉咙手术上帮助病人说话。 麦克洛克林教授同时是IET会员、IEEE高级会员、英国注册工程师和全欧工程师。

出版者的话
译者序
前言
致谢
关于作译者
第1章　引言1
　11　计算机的进化1
　12　进化过程1
　13　计算机发展阶段划分4
　　131　第一代计算机4
　　132　第二代计算机5
　　133　第三代计算机5
　　134　第四代计算机6
　　135　第五代计算机7
　14　云、普适、网格和超并行计算机7
　15　未来8
　16　小结10
第2章　基础知识11
　21　计算机组成11
　　211　Flynn分类法11
　　212　连接方式12
　　213　计算机结构层次视图13
　22　计算机基本原理13
　23　数字格式16
　　231　无符号二进制16
　　232　原码17
　　233　反码17
　　234　补码17
　　235　移码18
　　236　BCD码19
　　237　定点数表示法19
　　238　符号扩展20
　24　算术运算20
　　241　加法20
　　242　并行进位传递加法器20
　　243　超前进位22
　　244　减法22
　25　乘法24
　　251　加法迭代法24
　　252　部分积方法25
　　253　移位加方法27
　　254　Booth和Robertson方法27
　26　除法29
　27　定点数格式的运算30
　　271　定点数的运算31
　　272　定点数的乘除32
　28　浮点数32
　　281　广义浮点数33
　　282　IEEE754浮点标准33
　　283　IEEE754标准模式34
　　284　IEEE754数的范围36
　29　浮点数处理38
　　291　IEEE754数的加减运算39
　　292　IEEE754数的乘除运算41
　　293　IEEE754中间格式41
　　294　舍入42
　210　小结42
　思考题43
第3章　CPU基础45
　31　什么是计算机45
　32　让计算机为你服务45
　　321　程序存储46
　　322　存储架构46
　　323　程序传输47
　　324　控制单元48
　　325　微指令52
　　326　RISC和CISC的对比53
　　327　处理器实例——ARM55
　　328　关于ARM的更多内容56
　33　指令处理56
　　331　指令集57
　　332　取指和译码59
　　333　压缩指令集63
　　334　寻址模式65
　　335　堆栈机和逆波兰表示法67
　34　数据处理68
　　341　数据的格式和表达68
　　342　数据流71
　　343　数据存储72
　　344　内部数据72
　　345　数据处理73
　35　自顶向下方法75
　　351　计算机的能力75
　　352　性能衡量和统计76
　　353　性能评估78
　36　小结79
　思考题80
第4章　处理器内部组成82
　41　内部总线结构82
　　411　程序员的角度82
　　412　分解互联排列83
　　413　ADSP21xx总线排列84
　　414　数据与程序同时访存84
　　415　双总线体系结构86
　　416　单总线体系结构87
　42　算术逻辑单元88
　　421　ALU功能88
　　422　ALU设计89
　43　内存管理单元91
　　431　对虚拟存储的需求91
　　432　MMU操作91
　　433　退回算法93
　　434　内部存储碎片和片段93
　　435　外部碎片94
　　436　改进的MMU95
　　437　内存保护96
　44　cache97
　　441　直接相联cache98
　　442　组相联cache99
　　443　全相联cache100
　　444　局部性原则100
　　445　cache替换算法102
　　446　cache性能104
　　447　cache一致性105
　45　协处理器107
　46　浮点运算单元107
　47　SIMD流指令扩展和多媒体扩展109
　　471　MMX109
　　472　MMX实现110
　　473　MMX的使用111
　　474　SIMD流指令扩展111
　　475　使用SSE和MMX111
　48　嵌入式系统中的协处理112
　49　小结112
　思考题113
第5章　提高CPU性能116
　51　加速116
　52　流水线117
　　521　多功能流水线118
　　522　动态流水线119
　　523　改变流水线模式119
　　524　数据相关冒险121
　　525　条件冒险122
　　526　条件分支123
　　527　编译时流水线补偿125
　　528　相对地址分支126
　　529　流水线的指令集补偿127
　　5210　运行时流水线补偿128
　53　复杂指令集和精简指令集130
　54　超标量体系结构130
　　541　简单超标量130
　　542　多发送超标量132
　　543　超标量的性能133
　55　每周期的指令数133
　　551　不同体系结构的IPC133
　　552　IPC度量134
　56　硬件加速器135
　　561　零开销循环135
　　562　地址处理硬件137
　　563　影子寄存器140
　57　分支预测140
　　571　分支预测的必要性141
　　572　单T位预测器142
　　573　双位预测器143
　　574　计数器和移位器预测器145
　　575　局部分支预测器145
　　576　全局分支预测器148
　　577　G选择预测器149
　　578　G共享预测器150
　　579　混合预测器151
　　5710　分支目标缓冲152
　　5711　基本代码段153
　　5712　分支预测总结154
　58　并行机器155
　　581　SISD向MIMD的演变157
　　582　为提高性能而采用并行159
　　583　其他并行

智能手机、便携式游戏设备等都是广义上的计算机，它们在人们的日常生活中正变得越来越重要。本书致力于从多个层面理解这些系统，让读者明白是什么使其成为计算机，并强调它们背后的内核——嵌入式系统，以及嵌入式系统真正令人着迷的技术。审视嵌入式系统的内部，对于一个有技术头脑的人来说，就像打开了一个充满知识的圣诞礼物。
书店（特别是大学城里的书店）里关于这个主题的教科书似乎随处可见，比如计算机体系结构、计算机系统设计、网络、操作系统，甚至是嵌入式系统。许多著名的技术作者也都尝试过在这个领域写作，但计算机是一个不断发展的技术领域，很难用会很快过时的静态教科书充分地描述。特别是在过去十年，嵌入式计算系统的兴起让一些思维保守的作者感到惊讶：在20世纪五六十年代的一些教科书中，人们坚持将计算机视为房间大小的机器，20世纪八九十年代的教科书将计算机视为台式和服务器计算机，只有少数作者真正认为未来使用的绝大多数计算机都是嵌入在日常物品中的，认为计算机在未来是嵌入式的、互通的和无处不在的。在未来，台式机甚至笔记本电脑将会像50年前的打孔机一样不合时宜。
本书中的讨论尽可能直接面向嵌入式，并使用来自嵌入式世界的例子，这些例子适用于计算机体系结构、操作系统和连接这三个子领域。有些主题与嵌入式处理器有更紧密的联系，其他的可能是更传统的主题。这里将尽可能给出嵌入式领域的一些例子，以及可以描述章节主题与读者的联系的相关资料。
全书结构
本书由12章构成，除了第1、2章的介绍与第12章的总结部分之外，其他章节可以粗略分为三个部分，依次解决以下三个问题：
现代计算机系统（嵌入式或其他系统）所用的内部硬件，其工作原理以及协同方法。
在使用计算机编程实现功能时需要怎么做？软件如何被写入、加载并执行？如何系统化并呈现给用户？现代计算机内部的系统如何管理？
计算机之间如何通过连接来交换信息并为用户提供分布式服务？
总的来说，在“引言”和“基础知识”章节之后，第3～7章会讨论硬件，相关的软件编程和操作系统知识将在第8章和第9章介绍，连接性和网络系统的内容在第10章和11章介绍。本书各部分之间紧密联系，但是读者不必按顺序学习本书——这三部分都包含对其他部分的介绍，非常通俗易懂。
适用读者
本书适用于计算机、计算机科学、计算机工程、计算机系统工程、电子与计算机工程、电子与电气工程等专业的本科生。对于工作在其他技术领域的人来说，如果对学习计算机基础有兴趣，本书也是不错的选择。引言与基础知识部分适合本科生前两年学习，本书还有足够的深度与拓展部分，适合学习计算机架构或计算机系统设计的大四学生阅读。
对于从事嵌入式系统相关工作的程序员与工程师来说，本书是十分有用的参考。本书对各个行业都十分适用的ARM处理器的重点介绍一定会受到业内人士的欢迎。
本书设计
本书的内容是自下而上编写的，除了本书的硬件和计算机体系结构章节的某些部分以我以前的作品《计算机体系结构：嵌入式方法》（Computer Architecture:An Embedded Approach）为基础以外，其他部分并没有借鉴现有的任何教科书。我采用了一种新的方法，并在不受传统结构约束的情况下规划本书，避开了计算机进化过程中出现的“死胡同”以及一些不相关的问题。这让读者的思路更加清晰，可以将注意力集中在嵌入式系统上(本书没有完全略去大型机器，因为它们包含了多年来已普及的更重要且更好的技术演变的优秀例子）。
在创作本书的过程中，我的目的是通过编写简单易懂的文字来培养读者的兴趣，并努力保持本书与影响日常生活的流行前沿技术的相关性。然而，在任何研究领域都存在一些棘手的概念，遇到这些概念时，我会写出明确的解释性文字，同时在许多地方提供了充分而直观的说明来帮助读者理解。此外，本书还提供了许多解释框，这些解释框包含了额外的示例、有趣的信息和其他解释之类的材料，目的是扩充正文内容并帮助读者吸收知识。
本书使用SI（国际单位制），包括新的计算机存储度量单位kibibyte和mebibyte（附录A中对此进行了解释）。本书的主要章节附有思考题。
本书的编写
书中的示例代码和大多数嵌入式系统描述源自作者的硬件和软件设计经验。非常感谢GNU项目中出色的GCC ARM编译器，以及Busybox（嵌入式系统编码的“瑞士军刀”）和ARM / Linux项目。
本书中的一些图像由Wikimedia Commons等在线资源提供，均在图题中有所标注。这些图像均有知识共享（CC）归属（BY）许可或共享（SA）许可。特别要感谢Wikimedia Commons提供了优秀资源以及Creative Commons提供了保护许可证。
开始之前
我们应该铭记数十年来辛勤工作的计算机工程师们，他们为现代社会的移动电话、智能机、计算机和嵌入式技术的蓬勃发展注入了重要的力量。 我们赞扬过去那些伟大的贡献，并希望读者能够畅游在嵌入式计算机系统知识的海洋里，努力建设更美好的科技未来。

Ian Vince McLoughlin

关于本书教辅资源，只有使用本书作为教材的教师才可以申请，需要的教师可向麦格劳-希尔教育出版公司北京代表处申请，电话010-57997618/760