第 一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 1 1.1 計(jì)算機(jī)的過(guò)去，現(xiàn)在和未來(lái) 1 1.1.1 計(jì)算機(jī)的歷史回顧 1 1.1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.1.3 計(jì)算機(jī)的未來(lái)趨勢(shì) 8 1.2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義 13 1.2.1 ISA 14 1.2.2 微架構(gòu) 16 1.2.3 硬件實(shí)現(xiàn) 18 1.3 主流ISA介紹 18 1.3.1 ISA的誕生 19 1.3.2 CISC架構(gòu)指令集 19 1.3.3 RISC架構(gòu)指令集 21 1.4 案例學(xué)習(xí)：平頭哥C910處理器介紹 27 1.4.1 平頭哥公司介紹 27 1.4.2 玄鐵C910簡(jiǎn)介 28 1.4.3 玄鐵C910的處理器微架構(gòu) 28 1.4.4 玄鐵C910的工作模式 32 1.5 本章小結(jié) 32 第二章 指令集基本原理 34 2.1 指令集的發(fā)展歷史與分類 34 2.1.1 CISC和RISC之爭(zhēng) 35 2.1.2 指令集的分類 36 2.2 指令尋址模式 37 2.2.1 指令的組成 38 2.2.2 常見(jiàn)的指令尋址模式 38 2.3 數(shù)據(jù)類型與指令操作 39 2.3.1 RISC-V指令集的數(shù)據(jù)類型 39 2.3.2 指令操作分類 40 2.3.3 控制流指令 42 2.4 指令集編碼 42 2.4.1 可變長(zhǎng)度編碼與固定長(zhǎng)度編碼 43 2.4.2 操作碼的編碼 44 2.4.3 RISC-V的指令編碼 45 2.5 特權(quán)等級(jí)與CSR 46 2.5.1 特權(quán)等級(jí) 47 2.5.2 RISC-V指令集的CSR 48 2.6 指令集的ABI規(guī)定 49 2.7 案例學(xué)習(xí)：平頭哥C910處理器的自定義指令 50 2.7.1 Cache指令子集 51 2.7.2 多核同步指令子集 51 2.7.3 算術(shù)運(yùn)算指令子集 52 2.7.4 位操作指令子集 52 2.7.5 存儲(chǔ)指令子集 53 2.8 本章小結(jié) 53 第三章 處理器流水線結(jié)構(gòu) 55 3.1 實(shí)現(xiàn)RISC指令集的典型硬件結(jié)構(gòu) 55 3.1.1 微架構(gòu)與指令集的關(guān)系 55 3.1.2 RV32I指令集的數(shù)據(jù)通路 56 3.2 基礎(chǔ)流水線 60 3.2.1 流水線的基本概念 60 3.2.2 基礎(chǔ)流水線的性能分析 64 3.3 流水線沖突 66 3.3.1結(jié)構(gòu)沖突（structural hazard） 66 3.3.2控制沖突（control hazard） 66 3.3.3數(shù)據(jù)沖突（data hazard） 67 3.4 前饋 69 3.5 亂序執(zhí)行和超標(biāo)量流水線 72 3.5.1 基礎(chǔ)流水線的性能瓶頸 72 3.5.2 多發(fā)射（multiple issue）技術(shù)與超標(biāo)量（superscalar）技術(shù) 73 3.5.3 亂序執(zhí)行與動(dòng)態(tài)調(diào)度 74 3.5.4 重排序緩沖區(qū)（reorder buffer，ROB） 77 3.5.5 寄存器重命名和Tomasulo算法 80 3.6 分支預(yù)測(cè) 85 3.6.1 靜態(tài)預(yù)測(cè) 85 3.6.2 局部預(yù)測(cè)器 86 3.6.3 相關(guān)預(yù)測(cè)器 90 3.6.4 預(yù)測(cè)跳轉(zhuǎn)地址 91 3.6.5 指令復(fù)用 94 3.6.6 預(yù)測(cè)的代價(jià) 95 3.6.7 BOOM中的分支預(yù)測(cè)器 96 3.7 指令級(jí)并行的過(guò)去與未來(lái) 102 3.8 案例學(xué)習(xí)：平頭哥C910處理器的指令級(jí)并行 104 3.9 本章小結(jié) 105 第四章 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng) 107 4.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù) 107 4.1.1 SRAM 108 4.1.2 DRAM 108 4.1.3 flash 109 4.1.4 RRAM 111 4.1.5存儲(chǔ)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用 111 4.2 虛擬存儲(chǔ)（virtual memory） 112 4.2.1 虛擬存儲(chǔ)的工作原理 112 4.2.2 保護(hù)進(jìn)程 114 4.2.3 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)的可能結(jié)構(gòu) 115 4.3 處理器與內(nèi)存的速度差距：內(nèi)存墻 117 4.4 緩存 118 4.4.1 緩存的概念 118 4.4.2 緩存的基本性質(zhì) 119 4.5 緩存結(jié)構(gòu)示例 124 4.6 緩存的性能和基本優(yōu)化手段 124 4.6.1 增加緩存容量，以降低缺失率 125 4.6.2 增加路數(shù)，以降低缺失率 125 4.6.3 增加塊粒度，以降低缺失率 126 4.6.4 緩存讀優(yōu)先于緩存寫(xiě)，以降低缺失懲罰 126 4.6.5 多級(jí)緩存，以降低缺失懲罰 126 4.6.6 地址翻譯和緩存索引并行，以減少命中時(shí)間 127 4.7 多核處理器中的緩存一致性 128 4.7.1 緩存一致性協(xié)議的分類和比較 129 4.7.2 MSI一致性協(xié)議 131 4.8 案例學(xué)習(xí)：平頭哥C910處理器的存儲(chǔ)系統(tǒng) 133 4.8.1 平頭哥玄鐵C910的緩存層次 134 4.8.2 平頭哥玄鐵C910緩存優(yōu)化手段 136 4.8.3 平頭哥玄鐵C910的虛擬內(nèi)存系統(tǒng) 137 4.9 本章小結(jié) 139 第五章 計(jì)算機(jī)I/O原理 140 5.1 I/O概述 140 5.1.1 I/O設(shè)備 141 5.1.2 I/O接口和I/O總線 142 5.2 I/O設(shè)備與主機(jī)間的通信 145 5.2.1 處理器查詢方式 145 5.2.2 中斷方式 147 5.2.3 DMA方式 148 5.3 常見(jiàn)的I/O總線協(xié)議 151 5.3.1 PCI，PCI-X，PCI-E 151 5.3.2 SCSI，SAS，iSCSI 152 5.3.3 ATA，SATA 153 5.4 磁盤的基本原理 154 5.4.1 磁盤的經(jīng)典結(jié)構(gòu) 154 5.4.2 磁盤的演化 155 5.4.3 磁盤陣列 157 5.5 排隊(duì)論簡(jiǎn)介 163 5.5.1 隊(duì)列系統(tǒng)的簡(jiǎn)單抽象 163 5.5.2 隊(duì)列系統(tǒng)的表示——Kendall表示法 164 5.5.3 Little定理 165 5.5.4 用排隊(duì)論評(píng)估簡(jiǎn)單的I/O系統(tǒng) 165 5.6 案例學(xué)習(xí)：wujian100的USI模塊 167 5.6.1 UART 169 5.6.2 SPI 170 5.6.3 I2C 172 5.7 本章小結(jié) 173 第六章 SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 175 6.1 SoC概述 175 6.1.1 SoC簡(jiǎn)介 175 6.1.2 SoC的基本組成 176 6.1.3 SoC的優(yōu)勢(shì) 178 6.1.4 SoC面臨的發(fā)展挑戰(zhàn) 180 6.2 系統(tǒng)總線 181 6.2.1 總線概述 181 6.2.2 AMBA總線 183 6.3 SoC軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā) 189 6.3.1 SoC的軟件環(huán)境 189 6.3.2 SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 190 6.4 案例學(xué)習(xí)：wujian100 SoC平臺(tái) 195 6.5 本章小結(jié) 198 第七章 嵌入式操作系統(tǒng) 200 7.1 操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介 200 7.1.1 操作系統(tǒng)的基本概念 200 7.1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史 201 7.1.3 嵌入式操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 203 7.2 進(jìn)程與保護(hù) 204 7.2.1 進(jìn)程的基本概念 204 7.2.2 進(jìn)程保護(hù) 207 7.3 進(jìn)程調(diào)度 209 7.3.1 單處理器進(jìn)程調(diào)度 210 7.3.2 實(shí)時(shí)調(diào)度 213 7.4 文件管理 215 7.4.1 文件系統(tǒng) 215 7.4.2 目錄 217 7.4.3 文件 219 7.5 案例學(xué)習(xí)：在RISC-V處理器上運(yùn)行Linux系統(tǒng) 220 7.5.1 GNU和LLVM項(xiàng)目 220 7.5.2 準(zhǔn)備交叉編譯環(huán)境 222 7.5.3 編譯內(nèi)核 223 7.5.4 根文件系統(tǒng)和引導(dǎo)程序 224 7.6 本章小結(jié) 226 第八章 體系結(jié)構(gòu)仿真器實(shí)驗(yàn) 227 8.1 RISC-V交叉編譯和仿真環(huán)境的安裝與配置 227 8.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?227 8.1.2 實(shí)驗(yàn)介紹 227 8.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 229 8.2 QEMU運(yùn)行裸機(jī)程序與Linux系統(tǒng)并調(diào)試 234 8.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?234 8.2.2 實(shí)驗(yàn)介紹 234 8.2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 236 8.3 RISC-V匯編程序編程練習(xí) 247 8.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?247 8.3.2 實(shí)驗(yàn)介紹 247 8.3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 250 8.4 QEMU上運(yùn)行YOLO算法 254 8.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?254 8.4.2 實(shí)驗(yàn)介紹 254 8.4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 259 8.5 本章小結(jié) 264 第九章 RTL級(jí)的SoC平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn) 265 9.1 SMART平臺(tái)基礎(chǔ)操作實(shí)驗(yàn) 265 9.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?265 9.1.2 實(shí)驗(yàn)介紹 265 9.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 268 9.2 緩存操作實(shí)驗(yàn) 270 9.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?270 9.2.2 實(shí)驗(yàn)介紹 270 9.2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 271 9.3 分支預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn) 275 9.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?275 9.3.2 實(shí)驗(yàn)介紹 275 9.3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 276 9.4 YOLO綜合仿真實(shí)驗(yàn) 278 9.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?278 9.4.2 實(shí)驗(yàn)介紹 278 9.4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 281 9.5 本章小結(jié) 285 第十章 基于FPGA的SoC板級(jí)測(cè)試實(shí)驗(yàn) 286 10.1 wujian100平臺(tái)介紹和FPGA測(cè)試 286 10.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?286 10.1.2 實(shí)驗(yàn)介紹 286 10.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 288 10.2 語(yǔ)音識(shí)別電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì) 295 10.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?295 10.2.2 實(shí)驗(yàn)介紹 295 10.2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 301 10.3 本章小結(jié) 303