計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：系統(tǒng)架構(gòu)與操作系統(tǒng)的高度集成

Computer Systems: An Integrated Approach to Architecture and Operating Systems
出版者的話
譯者序
前言
第1章 概述1
1.1 盒子里有什么1
1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的抽象層次1
1.3 操作系統(tǒng)的作用3
1.4 盒子里正在發(fā)生什么事5
1.4.1 在計(jì)算機(jī)上啟動應(yīng)用程序7
1.5 計(jì)算機(jī)硬件的演化7
1.6 操作系統(tǒng)的演化9
1.7 本書導(dǎo)讀9
練習(xí)題10
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀10
第2章 處理器體系結(jié)構(gòu)12
2.1 處理器設(shè)計(jì)涉及什么12
2.2 如何設(shè)計(jì)指令集13
2.3 常見的高級語言功能集13
2.4 表達(dá)式和賦值語句14
2.4.1 操作數(shù)放在哪里14
2.4.2 在指令中如何指定內(nèi)存地址17
2.4.3 每個(gè)操作數(shù)應(yīng)該有多寬18
2.4.4 字節(jié)序9
2.4.5 操作數(shù)打包以及字操作數(shù)的對齊21
2.5 高級數(shù)據(jù)抽象22
2.5.1 結(jié)構(gòu)23
2.5.2 數(shù)組23
2.6 條件語句和循環(huán)24
2.6.1 ifthenelse語句25
2.6.2 switch語句26
2.6.3 循環(huán)語句27
2.7 檢查點(diǎn)27
2.8 編譯函數(shù)調(diào)用27
2.8.1 調(diào)用者的狀態(tài)28
2.8.2 過程調(diào)用剩余的工作30
2.8.3 軟件慣例31
2.8.4 活動記錄35
2.8.5 遞歸36
2.8.6 幀指針36
2.9 指令集體系結(jié)構(gòu)選擇38
2.9.1 額外的指令38
2.9.2 額外的尋址模式39
2.9.3 體系結(jié)構(gòu)類型39
2.9.4 指令格式39
2.10 LC2200指令集42
2.10.1 指令格式42
2.10.2 LC2200寄存器組43
2.11 影響處理器設(shè)計(jì)的問題44
2.11.1 指令集44
2.11.2 應(yīng)用程序?qū)χ噶罴O(shè)計(jì)的影響45
2.11.3 其他驅(qū)動處理器設(shè)計(jì)的問題46
小結(jié)47
練習(xí)題47
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀49
第3章 處理器實(shí)現(xiàn)51
3.1 體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)51
3.2 處理器實(shí)現(xiàn)涉及什么51
3.3 重要的硬件概念52
3.3.1 電路52
3.3.2 數(shù)據(jù)通路的硬件資源52
3.3.3 邊沿觸發(fā)邏輯53
3.3.4 連接數(shù)據(jù)通路元件54
3.3.5 基于總線的設(shè)計(jì)57
3.3.6 有限狀態(tài)機(jī)59
3.4 數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)60
3.4.1 ISA與數(shù)據(jù)通路寬度61
3.4.2 時(shí)鐘脈沖寬度62
3.4.3 檢查點(diǎn)62
3.5 控制單元設(shè)計(jì)62
3.5.1 ROM加狀態(tài)寄存器63
3.5.2 FETCH宏?duì)顟B(tài)65
3.5.3 DECODE宏?duì)顟B(tài)68
3.5.4 EXECUTE宏?duì)顟B(tài)：ADD指令（R型指令部分)68
3.5.5 EXECUTE宏?duì)顟B(tài)：NAND指令（R型指令部分)71
3.5.6 EXECUTE宏?duì)顟B(tài)：JALR指令（J型指令部分)71
3.5.7 EXECUTE宏?duì)顟B(tài)：LW指令（I型指令部分72
3.5.8 EXECUTE宏?duì)顟B(tài)：SW和ADDI指令（I型指令部分)75
3.5.9 EXECUTE宏?duì)顟B(tài)：BEQ指令（I型指令部分） 75
3.5.10 設(shè)計(jì)微程序中的條件分支78
3.5.11 再談DECODE宏?duì)顟B(tài)79
3.6 控制單元設(shè)計(jì)的另一種選擇80
3.6.1 微程序控制80
3.6.2 硬連線控制81
3.6.3 在兩種控制設(shè)計(jì)風(fēng)格中選擇82
小結(jié)82
歷史回顧83
練習(xí)題84
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀86
第4章 中斷、陷入及異常87
4.1 程序執(zhí)行中的不連續(xù)性88
4.2 處理程序不連續(xù)性89
4.3 處理程序不連續(xù)性的體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)91
4.3.1 修改FSM91
4.3.2 一個(gè)簡單的中斷處理過程92
4.3.3 處理級聯(lián)中斷92
4.3.4 從處理過程中返回95
4.3.5 檢查點(diǎn)95
4.4 處理程序不連續(xù)性的硬件細(xì)節(jié)96
4.4.1 中斷的數(shù)據(jù)通路細(xì)節(jié)96
4.4.2 獲得處理過程地址的細(xì)節(jié)97
4.4.3 保存/恢復(fù)棧99
4.5 信息匯總100
4.5.1 體系結(jié)構(gòu)和硬件改進(jìn)總結(jié)100
4.5.2 工作中的中斷機(jī)制100
小結(jié)102
練習(xí)題103
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀104
第5章 處理器性能與流水線處理器的設(shè)計(jì)105
5.1 時(shí)間和空間性能指標(biāo) 105
5.2 指令頻率107
5.3 基準(zhǔn)測試程序108
5.4 提升處理器的性能111
5.5 加速比112
5.6 提升處理器的吞吐量114
5.7 流水線簡介115
5.8 指令處理流水線115
5.9 簡單指令流水線的問題117
5.10 修正指令流水線里的問題118
5.11 指令流水線的數(shù)據(jù)通路元件120
5.12 針對流水線的體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)121
5.12.1 指令穿過流水線的過程
詳解122
5.12.2 流水線寄存器的設(shè)計(jì)124
5.12.3 各個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)125
5.13 冒險(xiǎn)125
5.13.1 結(jié)構(gòu)性冒險(xiǎn)126
5.13.2 數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)126
5.13.3 控制冒險(xiǎn)135
5.13.4 冒險(xiǎn)總結(jié)141
5.14 在流水線處理器里處理程序
不連續(xù)性142
5.15 處理器設(shè)計(jì)的高級話題144
5.15.1 指令級并行144
5.15.2 更深的流水線145
5.15.3 在亂序執(zhí)行下再次討論
程序不連續(xù)性147
5.15.4 管理共享資源148
5.15.5 功耗149
5.15.6 多核處理器設(shè)計(jì)149
5.15.7 Intel Core微架構(gòu)：
一個(gè)流水線150
小結(jié)151
歷史回顧152
練習(xí)題152
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀156
第6章 處理器調(diào)度157
6.1 引言157
6.2 程序和進(jìn)程158
6.3 調(diào)度環(huán)境161
6.4 調(diào)度基礎(chǔ)162
6.5 性能指標(biāo)165
6.6 非搶占式調(diào)度算法167
6.6.1 先到先服務(wù)167
6.6.2 最短作業(yè)優(yōu)先170
6.6.3 優(yōu)先級171
6.7 搶占式調(diào)度算法172
6.7.1 輪轉(zhuǎn)調(diào)度器175
6.8 結(jié)合優(yōu)先級和搶占178
6.9 元調(diào)度器178
6.10 評價(jià)179
6.11 調(diào)度對處理器體系結(jié)構(gòu)的影響180
小結(jié)和展望181
Linux調(diào)度器—一個(gè)案例研究181
歷史回顧183
練習(xí)題185
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀186
第7章 內(nèi)存管理技術(shù)187
7.1 內(nèi)存管理器提供的功能187
7.2 內(nèi)存管理的簡單方案189
7.3 內(nèi)存分配方案192
7.3.1 固定尺寸分區(qū)192
7.3.2 變長分區(qū)193
7.3.3 縮并195
7.4 分頁虛擬內(nèi)存196
7.4.1 頁表197
7.4.2 支持分頁的硬件 199
7.4.3 頁表的建立 199
7.4.4 虛擬和物理內(nèi)存的相對大小200
7.5 分段虛擬內(nèi)存200
7.5.1 支持分段的硬件204
7.6 分頁和分段的比較204
7.6.1 解讀CPU生成的地址206
小結(jié)207
歷史回顧208
MULTICS209
Intel的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)210
練習(xí)題211
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀212
第8章 頁式內(nèi)存管理213
8.1 按需分頁213
8.1.1 按需分頁的硬件213
8.1.2 頁錯(cuò)誤處理程序214
8.1.3 按需分頁內(nèi)存管理的
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)214
8.1.4 頁錯(cuò)誤解析215
8.2 進(jìn)程調(diào)度器和內(nèi)存管理器間交互217
8.3 頁替換策略218
8.3.1 Belady的Min算法219
8.3.2 隨機(jī)替換 219
8.3.3 先進(jìn)先出策略219
8.3.4 最近最少使用策略221
8.3.5 第二次機(jī)會頁替換算法223
8.3.6 頁替換算法回顧225
8.4 優(yōu)化內(nèi)存管理225
8.4.1 空閑頁幀池225
8.4.2 顛簸226
8.4.3 工作集228
8.4.4 顛簸控制229
8.5 其他考慮229
8.6 旁路轉(zhuǎn)換緩存230
8.6.1 TLB的地址轉(zhuǎn)換231
8.7 內(nèi)存管理的高級話題232
8.7.1 多級頁表232
8.7.2 局部頁表項(xiàng)的訪問權(quán)限234
8.7.3 反向頁表234
小結(jié)234
練習(xí)題234
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀236
第9章 分級存儲體系237
9.1 緩存的概念238
9.2 局部性原理238
9.3 基本術(shù)語238
9.4 多級存儲層次239
9.5 緩存結(jié)構(gòu)241
9.6 直接映射緩存結(jié)構(gòu)241
9.6.1 緩存查找243
9.6.2 緩存項(xiàng)中的字段244
9.6.3 用于直接映射緩存的硬件245
9.7 流水線處理器設(shè)計(jì)的影響247
9.8 緩存讀/寫算法247
9.8.1 CPU對緩存的讀訪問248
9.8.2 CPU對緩存的寫訪問248
9.9 處理器流水線中的緩存缺失處理251
9.9.1 在流水線性能上緩存缺失
對內(nèi)存延遲的影響252
9.10 利用空間局部性提高緩存性能253
9.10.1 增加塊大小對性能的影響256
9.11 靈活的布局策略257
9.11.1 全相關(guān)緩存258
9.11.2 組相關(guān)緩存259
9.11.3 組相關(guān)的極端情況261
9.12 指令和數(shù)據(jù)緩存263
9.13 降低缺失損失264
9.14 緩存替換策略264
9.15 缺失類型簡要說明266
9.16 TLB和緩存整合268
9.17 緩存控制器269
9.18 虛擬索引物理標(biāo)記的緩存270
9.19 緩存設(shè)計(jì)因素概述271
9.20 主存的設(shè)計(jì)因素272
9.20.1 簡單的主存272
9.20.2 與緩存塊大小相匹配的主
存和總線273
9.20.3 交錯(cuò)式內(nèi)存273
9.21 現(xiàn)代主存系統(tǒng)分析274
9.21.1 頁式DRAM278
9.22 分級存儲體系的性能影響279
小結(jié)280
現(xiàn)代處理器的分級存儲體系（一個(gè)例子）281
練習(xí)題281
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀283
第10章 輸入/輸出和穩(wěn)定性存儲284
10.1 CPU和I/O設(shè)備間的通信284
10.1.1 設(shè)備控制器284
10.1.2 內(nèi)存映射I/O285
10.2 程控I/O287
10.3 DMA288
10.4 總線290
10.5 I/O處理器291
10.6 設(shè)備驅(qū)動292
10.6.1 例子293
10.7 外圍設(shè)備295
10.8 磁盤存儲器296
10.8.1 磁盤技術(shù)的傳奇故事302
10.9 磁盤調(diào)度算法304
10.9.1 先到先服務(wù)305
10.9.2 最短尋道時(shí)間優(yōu)先305
10.9.3 SCAN305
10.9.4 CSCAN306
10.9.5 LOOK和CLOOK307
10.9.6 磁盤調(diào)度總結(jié)307
10.9.7 算法比較308
10.10 固態(tài)硬盤 309
10.11 I/O總線和設(shè)備驅(qū)動的演化310
10.11.1 設(shè)備驅(qū)動的動態(tài)負(fù)載311
10.11.2 信息匯總312
小結(jié)314
練習(xí)題314
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀315
第11章 文件系統(tǒng)317
11.1 屬性317
11.2 在磁盤子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)
的設(shè)計(jì)選擇321
11.2.1 連續(xù)分配322
11.2.2 帶有溢出區(qū)域的連續(xù)分配324
11.2.3 鏈接分配324
11.2.4 文件分配表325
11.2.5 索引分配327
11.2.6 多級索引分配328
11.2.7 混合索引分配328
11.2.8 不同分配策略的比較331
11.3 信息匯總331
11.3.1 索引節(jié)點(diǎn)336
11.4 文件系統(tǒng)的組件336
11.4.1 創(chuàng)建、寫入文件的剖析337
11.5 各種子系統(tǒng)的交互337
11.6 文件系統(tǒng)在物理媒介上的布局340
11.6.1 內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)342
11.7 處理系統(tǒng)崩潰343
11.8 其他物理媒介上的文件系統(tǒng)343
11.9 現(xiàn)代文件系統(tǒng)一覽344
11.9.1 Linux344
11.9.2 Microsoft Windows348
小結(jié)349
練習(xí)題350
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀352
第12章 多線程編程與多處理器353
12.1 為什么需要多線程353
12.2 線程所需的編程支持354
12.2.1 線程創(chuàng)建和終止354
12.2.2 線程之間的通信356
12.2.3 讀/寫沖突、競爭條件及不確定性357
12.2.4 線程之間的同步361
12.2.5 線程庫中數(shù)據(jù)類型的內(nèi)部表示365
12.2.6 簡單的編程示例366
12.2.7 死鎖和活鎖369
12.2.8 條件變量370
12.2.9 視頻處理示例的完整解決方案373
12.2.10 解決方案的討論374
12.2.11 重新檢查條件375
12.3 線程函數(shù)調(diào)用和多線程編程概念總結(jié)377
12.4 線程編程的一些注意事項(xiàng)379
12.5 使用線程作為軟件結(jié)構(gòu)抽象379
12.6 POSIX pthread庫調(diào)用總結(jié)379
12.7 操作系統(tǒng)對線程的支持382
12.7.1 用戶級線程383
12.7.2 內(nèi)核級線程385
12.7.3 Solaris線程：一個(gè)內(nèi)核級線程例子386
12.7.4 線程和庫387
12.8 在單處理器上的多線程的硬件支持388
12.8.1 線程創(chuàng)建、終止以及線程間的通信388
12.8.2 線程之間的同步388
12.8.3 原子的TestandSet指令388
12.8.4 使用TestandSet指令的Lock算法390
12.9 多處理器391
12.9.1 頁表391
12.9.2 分級存儲體系391
12.9.3 保證原子性393
12.10 高級話題393
12.10.1 操作系統(tǒng)話題393
12.10.2 架構(gòu)話題 403
12.10.3 未來之路：多核與眾核架構(gòu)412
小結(jié)413
歷史回顧414
練習(xí)題 415
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀417
第13章 網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)知識419
13.1 預(yù)備知識419
13.2 基本術(shù)語419
13.3 網(wǎng)絡(luò)軟件423
13.4 協(xié)議棧424
13.4.1 因特網(wǎng)協(xié)議棧424
13.4.2 OSI模型426
13.4.3 分層的實(shí)際問題427
13.5 應(yīng)用層427
13.6 傳輸層428
13.6.1 停止并等待協(xié)議429
13.6.2 流水線協(xié)議431
13.6.3 可靠的流水線協(xié)議432
13.6.4 處理傳輸錯(cuò)誤436
13.6.5 因特網(wǎng)上的傳輸協(xié)議437
13.6.6 傳輸層總結(jié)438
13.7 網(wǎng)絡(luò)層439
13.7.1 路由算法439
13.7.2 因特網(wǎng)尋址444
13.7.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式446
13.7.4 網(wǎng)絡(luò)路由與轉(zhuǎn)發(fā)449
13.7.5 網(wǎng)絡(luò)層總結(jié)450
13.8 鏈路層和局域網(wǎng)450
13.8.1 以太網(wǎng)451
13.8.2 CSMA/CD451
13.8.3 IEEE 802.3453
13.8.4 無線局域網(wǎng)與IEEE 802.11453
13.8.5 令牌環(huán)454
13.8.6 其他鏈路層協(xié)議456
13.9 網(wǎng)絡(luò)硬件456
13.10 協(xié)議棧各層之間的關(guān)系460
13.11 用于數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)460
13.11.1 TCP/IP包頭461
13.12 消息傳輸時(shí)間462
13.13 協(xié)議層功能總結(jié)466
13.14 網(wǎng)絡(luò)軟件與操作系統(tǒng)466
13.14.1 套接字庫467
13.14.2 在操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧468
13.14.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序468
13.15 使用UNIX套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程469
13.16 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與高層協(xié)議474
小結(jié)475
歷史回顧475
練習(xí)題480
參考文獻(xiàn)注釋和擴(kuò)展閱讀482
第14章 尾聲：旅途回顧483
14.1 處理器設(shè)計(jì)483
14.2 進(jìn)程483
14.3 虛擬內(nèi)存系統(tǒng)和內(nèi)存管理483
14.4 分級存儲體系484
14.5 并行系統(tǒng)484
14.6 輸入/輸出系統(tǒng)484
14.7 永久性存儲484
14.8 網(wǎng)絡(luò)485
結(jié)束語485
附錄A 使用UNIX套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程486
參考文獻(xiàn)495
索引500