Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Дополнение по архитектуре ARM (4000,00 руб.)

Стр.5

Стр.7

Стр.8

Стр.9

Стр.10

УДК 004.2+744.4 ББК 32.971.3 Х20 Дэвид М. Харрис, Сара Л. Харрис Х20 Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Дополнение по архитектуре ARM / пер. с англ. Слинкин А. А. / науч. ред. Косолобов Д. А. – М.: ДМК Пресс, 2019. – 356 с.: ил. ISBN 978-5-97060-650-6 Данное издание является дополнением к книге «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» с описанием отличий архитектуры ARM от MIPS, описанной в первой книге. Оно состоит из глав, посвященных архитектуре процессоров ARM, их микроархитектуре, описанию подсистемы памяти и системы ввода-вывода. Также в приложении приведена система команд ARM. Книгу рекомендуется использовать совместно с первым (основным) изданием по архитектуре MIPS. Издание будет полезно студентам, инженерам, а также широкому кругу читателей, интересующихся современной схемотехникой. This edition of «Digital Design and Computer Architecture by David Money Harris and Sarah L. Harris is published by arrangement with ELSEVIER INC., a Delaware corporation having its principal place of business at 360 Park Avenue South, New York, NY 10010, USA Это издание книги Дэвида Мани Харриса и Сары Л. Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» публикуется по соглашению с ELSEVIER INC., Делавэрской корпорацией, которая осуществляет основную деятельность по адресу 360 Park Avenue South, New York, NY 10010, USA. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 978-0-12-800056-4 (анг.) ISBN 978-5-97060-650-6 (рус.) © 2016 Elsevier, Inc. All rights reserved. © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2019

Стр.5

Оглавление Похвальные отзывы на книгу «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера». Дополнение по архитектуре ARM Предисловие 10 12 Особенности книги ................................................................................ 12 Материалы в Интернете ............................................................................... 14 Как использовать программный инструментарий в учебном курсе ............... 14 Опечатки ....................................................................................................... 16 Признательность за поддержку .................................................................... 16 Глава 1 Архитектура 19 1.1. Введение ......................................................................................... 19 1.2. Язык ассемблера ............................................................................. 21 1.2.1. Команды .............................................................................................. 21 1.2.2. Операнды: регистры, память и константы ........................................... 23 1.3. Программирование ......................................................................... 29 1.3.1. Команды обработки данных ................................................................. 29 1.3.2. Флаги условий ..................................................................................... 32 1.3.3. Переходы ............................................................................................. 34 1.3.4. Условные предложения ....................................................................... 36 1.3.5. Циклы .................................................................................................. 38 1.3.6. Память ................................................................................................. 40 1.3.7. Вызовы функций .................................................................................. 45 1.4. Машинный язык ............................................................................. 58 1.4.1. Команды обработки данных ................................................................. 58 1.4.2. Команды доступа к памяти .................................................................. 62 1.4.3. Команды перехода ............................................................................... 63 1.4.4. Режимы адресации .............................................................................. 65 1.4.5. Интерпретация кода на машинном языке ............................................ 66 1.4.6. Могущество хранимой программы ...................................................... 67 1.5. Свет, камера, мотор! Компилируем, ассемблируем и загружаем .... 69 1.5.1. Карта памяти ....................................................................................... 69 1.5.2. Компиляция ......................................................................................... 71 1.5.3. Ассемблирование ................................................................................ 72 1.5.4. Компоновка ......................................................................................... 74 1.5.5. Загрузка .............................................................................................. 75 1.6. Дополнительные сведения .............................................................. 76 1.6.1. Загрузка литералов ............................................................................. 76 1.6.2. NOP ..................................................................................................... 78 1.6.3. Исключения ......................................................................................... 78 1.7. Эволюция архитектуры ARM .......................................................... 82 1.7.1. Набор команд Thumb ........................................................................... 83

Стр.7

Оглавление 7 1.7.2. Команды для цифровой обработки сигналов ........................................ 84 1.7.3. Команды арифметики с плавающей точкой ......................................... 90 1.7.4. Команды энергосбережения и безопасности ....................................... 91 1.7.5. Команды SIMD .................................................................................... 92 1.7.6. 64-битовая архитектура ....................................................................... 93 1.8. Живой пример: архитектура х86 ..................................................... 94 1.8.1. Регистры x86 ....................................................................................... 95 1.8.2. Операнды x86 ...................................................................................... 96 1.8.3. Флаги состояния ................................................................................. 97 1.8.4. Команды х86 ........................................................................................ 98 1.8.5. Кодирование команд х86 ..................................................................... 98 1.8.6. Другие особенности х86 .................................................................... 102 1.8.7. Общая картина .................................................................................. 102 1.9. Резюме ...........................................................................................103 Упражнения .........................................................................................104 Вопросы для собеседования .................................................................117 Глава 2 Микроархитектура 119 2.1. Введение ........................................................................................119 2.1.1. Архитектурное состояние и набор команд ......................................... 120 2.1.2. Процесс проектирования ................................................................... 120 2.1.3. Микроархитектуры ........................................................................... 123 2.2. Анализ производительности ..........................................................124 2.3. Однотактный процессор ................................................................126 2.3.1. Однотактный тракт данных ............................................................... 126 2.3.2. Однотактное устройство управления ................................................ 133 2.3.3. Дополнительные команды ................................................................. 138 2.3.4. Анализ производительности .............................................................. 140 2.4. Многотактный процессор ..............................................................142 2.4.1. Многотактный тракт данных ............................................................. 143 2.4.2. Многотактное устройство управления .............................................. 150 2.4.3. Анализ производительности .............................................................. 160 2.5. Конвейерный процессор.................................................................161 2.5.1. Конвейерный тракт данных ............................................................... 164 2.5.2. Конвейерное устройство управления ................................................ 166 2.5.3. Конфликты ........................................................................................ 167 2.5.4. Анализ производительности .............................................................. 178 2.6. Представление на языке HDL ........................................................180 2.6.1. Однотактный процессор .................................................................... 181 2.6.2. Универсальные строительные блоки ................................................. 186 2.6.3. Тестовое окружение .......................................................................... 189 2.7. Улучшенные микроархитектуры ................................................... 194 2.7.1. Длинные конвейеры .......................................................................... 194 2.7.2. Микрооперации ................................................................................. 196 2.7.3. Предсказание условных переходов .................................................... 197 2.7.4. Суперскалярный процессор ............................................................... 199 2.7.5. Процессор с внеочередным выполнением команд.............................. 201 2.7.6. Переименование регистров ............................................................... 204

Стр.8

8 Оглавление 2.7.7. Многопоточность .............................................................................. 206 2.7.8. Мультипроцессоры ............................................................................ 207 2.8. Живой пример: эволюция микроархитектуры ARM .......................210 2.9. Резюме ...........................................................................................217 Упражнения .........................................................................................218 Вопросы для собеседования .................................................................225 Глава 3 Подсистема памяти 227 3.1. Введение ........................................................................................227 3.2. Анализ производительности подсистемы памяти ..........................232 3.3. Кэш-память ................................................................................... 234 3.3.1. Какие данные хранятся в кэш-памяти? .............................................. 235 3.3.2. Как найти данные в кэш-памяти? ...................................................... 235 3.3.3. Какие данные заместить в кэш-памяти? ............................................ 245 3.3.4. Улучшенная кэш-память ................................................................... 246 3.3.5. Эволюция кэш-памяти процессоров ARM ......................................... 250 3.4. Виртуальная память.......................................................................251 3.4.1. Трансляция адресов ........................................................................... 254 3.4.2. Таблица страниц ................................................................................ 256 3.4.3. Буфер ассоциативной трансляции ..................................................... 258 3.4.4. Защита памяти .................................................................................. 260 3.4.5. Стратегии замещения страниц .......................................................... 260 3.4.6. Многоуровневые таблицы страниц .................................................... 261 3.5. Резюме .......................................................................................... 264 Упражнения ........................................................................................ 264 Вопросы для собеседования .................................................................273 Глава 4 Системы ввода-вывода 275 4.1. Введение ........................................................................................275 4.2. Ввод-вывод с отображением на память ..........................................276 4.3. Ввод-вывод во встраиваемых системах ..........................................278 4.3.1. Система на кристалле BCM2835 ....................................................... 279 4.3.2. Драйверы устройств .......................................................................... 281 4.3.3. Цифровой ввод-вывод общего назначения ......................................... 284 4.3.4. Последовательный ввод-вывод .......................................................... 287 4.3.5. Таймеры............................................................................................. 300 4.3.6. Аналоговый ввод-вывод ..................................................................... 302 4.3.7. Прерывания ....................................................................................... 310 4.4. Другие периферийные устройства микроконтроллеров .................311 4.4.1. Символьный ЖК-дисплей .................................................................. 311 4.4.2. VGA-монитор .................................................................................... 315 4.4.3. Беспроводная связь Bluetooth ........................................................... 321 4.4.4. Управление двигателями ................................................................... 323 4.5. Интерфейсы шин .......................................................................... 334 4.5.1. AHB-Lite ............................................................................................ 335 4.5.2. Пример интерфейса с памятью и периферийными устройствами ...... 336

Стр.9

Оглавление 9 4.6. Интерфейсы ввода-вывода персональных компьютеров................ 340 4.6.1. USB ................................................................................................... 342 4.6.2. PCI и PCI Express .............................................................................. 343 4.6.3. Память DDR3 .................................................................................... 344 4.6.4. Сеть ................................................................................................... 344 4.6.5. SATA ................................................................................................. 345 4.6.6. Подключение к ПК ............................................................................ 346 Эпилог Приложение А Система команд ARM 4.7. Резюме .......................................................................................... 348 349 350 A.1. Команды обработки данных ...........................................................350 А.1.1. Команды умножения ......................................................................... 352 А.2. Команды доступа к памяти ........................................................... 353 А.3. Команды перехода ........................................................................ 354 А.4. Прочие команды ........................................................................... 354 А.5. Флаги состояния .......................................................................... 355

Стр.10