Ледин Дж. - Современная архитектура и устройство компьютеров,
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Home » Books and magazines » Computer literature » Hardware (books about PCs) |
| DL-List and Torrent activity | |
| Size: 68 MB | Registered: 5 months 24 days | Completed: 1 time | |
|
Seeder not seen: 3 months 9 days |
|
|
|
| Author | Message | |||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
HDD ® Gender: Longevity: 9 years Posts: 12583
|
Современная архитектура и устройство компьютеров, 2-е изд.
Год издания: 2024 Автор: Ледин Дж. Переводчик: Мешков Дмитрий Издательство: БХВ-Петербург ISBN: 978-5-9775-1870-3 Язык: Русский Формат: PDF Качество: Отсканированные страницы + слой распознанного текста Количество страниц: 689 Описание: Книга посвящена архитектуре и принципам работы современных цифровых устройств: компьютеров, смартфонов, облачных серверов. Подробно рассмотрены архитектуры процессоров и наборы инструкций x86, x64, ARM и RISC-V. Описано внутреннее устройство процессора, логические вентили, триггеры, регистры, конвейеры, показаны режимы адресации, обработка прерываний, представлены основы машинной логики, методы повышения вычислительной производительности процессоров. Приведен пример разработки процессора RISC-V на базе недорогой платы FPGA (ПЛИС). Описаны принципы виртуализации и технологии, лежащие в основе виртуальных машин, рассмотрены архитектурные решения для обеспечения кибербезопасности и конфиденциальности вычислений. Уделено внимание специализированным компьютерным архитектурам: облачным серверам, мобильным устройствам, процессорам для нейронных сетей и машинного обучения, блокчейна и майнинга, беспилотного транспорта. На практическом примере показаны квантовые вычисления, рассмотрены другие перспективные направления в вычислительных архитектурах. Для программистов, инженеров и системных архитекторов. Комплект исходного кода для данной книги размещен на GitHub. ОглавлениеПредисловие...............................................................................................................................17Составители.............................................................................................................................. 21 Об авторе................................................................................................................................. 21 О рецензентах.........................................................................................................................21 Вступление..................................................................................................................................23 Для кого эта книга................................................................................................................. 24 Как организована эта книга.................................................................................................24 Как получить максимальную отдачу от этой книги.....................................................28 Загрузите файлы с примерами кода................................................................................. 28 Загрузите цветные изображения........................................................................................28 Условные обозначения и соглашения..............................................................................28 Свяжитесь с нами.................................................................................................................. 29 Поделитесь своими мыслями............................................................................................. 30 Глава 1. Введение в архитектуру компьютеров........................................................... 31 Технические требования..................................................................................................... 32 Эволюция автоматических вычислительных устройств............................................. 32 Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа......................... ,.....................................32 ENIAC..................................................................................................................................35 IBM PC.................................................................................................................................36 iPhone....................................................................................................................................40 Закон Мура............................................................................................................................. 41 Архитектура компьютеров..................................................................................................44 Представление чисел уровнями напряжения............................................................ 44 Двоичные и шестнадцатеричные числа...................................................................... 45 Микропроцессор 6502...................................................................................................... 49 Набор инструкций микропроцессора 6502..................................................................52 Резюме........................................................................................................................................55 Упражнения..............................................................................................................................56 Глава 2. Цифровая логика....................................................................................................58 Технические требования...................................................................................................... 59 Электрические схемы............................................................................................................59 Транзистор................................................................................................................................60 Логические вентили............................................................................................................... 61 Защелки..................................................................................................................................... 66 Триггеры...................................................................................................................................69 Регистры.................................................................................................................................... 71 Сумматоры................................................................................................................................73 Задержка распространения.............................................................................................. 74 Синхронизация........................................................................................................................76 Последовательностная логика............................................................................................ 77 Языки описания аппаратных средств................................................................................78 ѴНОЬ..................................................................................................................................... 78 Резюме........................................................................................................................................83 Упражнения..............................................................................................................................83 Глава 3. Элементы процессора............................................................................................ 85 Технические требования...................................................................................................... 86 Простой процессор................................................................................................................. 86 Устройство управления....................................................................................................87 Арифметико-логическое устройство.............................................................................90 Регистры................................................................................................................................95 Набор инструкций процессора............................................................................................ 97 Режимы адресации................................................................................................................. 98 Режим непосредственной адресации.............................................................................98 Режим абсолютной адресации........................................................................................99 Режим абсолютной индексной адресации................................................................. 100 Режим косвенной индексной адресации.................................................................... 102 Категории инструкций.........................................................................................................103 Инструкции загрузки и сохранения............................................................................ 104 Инструкции передачи данных из регистра в регистр............................................. 104 Инструкции стека............................................................................................................. 104 Арифметические инструкции....................................................................................... 105 Логические инструкции.................................................................................................. 106 Инструкции ветвления................................................................................................... 106 Инструкции вызова подпрограммы и возврата из подпрограммы..................... 107 Инструкции для работы с флагами процессора...................................................... 107 Инструкции для работы с прерываниями................................................................. 107 Инструкция отсутствия операций...............................................................................108 Обработка прерываний.......................................................................................................108 Обработка IRQ............................................................................................................... 108 Обработка NMI ............................................................................................................. 110 Обработка инструкции BRK........................................................................................ 111 Операции ввода-вывода..................................................................................................... 112 Программируемый ввод-вывод...................................................................................114 Ввод-вывод с управлением по прерываниям...........................................................114 Прямой доступ к памяти................................................................................................116 Резюме.................................................................................................................................... 116 Упражнения.......................................................................................................................... 117 Глава 4. Компоненты компьютерной системы.......................................................... 119 Технические требования................................................................................................... 120 Подсистема памяти............................................................................................................. 120 Знакомство с полевыми МОП-транзисторами.............................................................121 Построение схем динамической памяти с помощью полевых МОП-транзисторов............................................................................................................. 124 Конденсатор...................................................................................................................... 124 Битовая ячейка динамической памяти.......................................................................126 SDRAM DDR5..................................................................................................................128 DDR для графики............................................................................................................131 Предварительная выборка.............................................................................................131 Подсистема ввода-вывода.................................................................................................132 Параллельные и последовательные шины данных.................................................133 PCI Express........................................................................................................................ 135 SATA..................................................................................................................................137 М.2...................................................................................................................................... 138 USB..................................................................................................................................... 138 Thunderbolt........................................................................................................................ 139 Графические дисплеи.........................................................................................................140 VGA.................................................................................................................................... 141 DVI..................................................................................................................................... 141 HDMI.................................................................................................................................. 142 DisplayPort......................................................................................................................... 142 Сетевой интерфейс.............................................................................................................. 143 Ethernet...............................................................................................................................143 Wi-Fi................................................................................................................................... 144 Клавиатура и мышь.............................................................................................................. 146 Клавиатура......................................................................................................................... 146 Мышь.................................................................................................................................. 147 Технические характеристики современной компьютерной системы.................... 148 Резюме......................................................................................................................................149 Упражнения............................................................................................................................150 Глава 5. Аппаратно-программный интерфейс............................................................ 151 Технические требования.................................................................................................... 152 Драйверы устройств............................................................................................................. 152 Параллельный порт..........................................................................................................153 Драйверы устройств РСІе...............................................................................................155 Структура драйверов устройств...................................................................................156 Базовая система ввода-вывода (BIOS)............................................................................158 Единый расширяемый интерфейс встроенного ПО (UEFI)..................................160 Процесс загрузки операционной системы..................................................................... 162 Загрузка при использовании BIOS.............................................................................. 163 Загрузка при использовании UEFI.............................................................................. 163 Доверенная загрузка........................................................................................................164 Мобильные устройства................................................................................................... 165 Операционные системы...................................................................................................... 166 Процессы и потоки............................................................................................................... 168 Алгоритмы планирования и приоритет процесса....................................................171 Многопроцессорность.........................................................................................................175 Резюме......................................................................................................................................177 Упражнения........................................................................................................................... 177 Глава 6. Специализированные вычисления.................................................................179 Технические требования.................................................................................................... 180 Вычисления в реальном времени.....................................................................................180 Операционные системы реального времени............................................................ 182 Цифровая обработка сигналов.......................................................................................... 186 АЦПиЦАП....................................................................................................................... 186 Особенности аппаратных средств DSP...................................................................... 189 Алгоритмы обработки сигналов.................................................................................. 192 Обработка данных в графических процессорах........................................................... 197 Графические процессоры как процессоры обработки данных............................ 198 Примеры специализированных архитектур..................................................................202 Резюме..................................................................................................................................... 204 Упражнения........................................................................................................................... 204 Глава 7. Архитектура процессора и памяти................................................................207 Технические требования...................................................................................................207 Фон-неймановская, гарвардская и модифицированная гарвардская архитектуры..........................................................................................................................208 Фон-неймановская архитектура.................................................................................. 208 Гарвардская архитектура.............................................................................................. 210 Модифицированная гарвардская архитектура........................................................ 211 Физическая и виртуальная память...................................................................................212 Виртуальная память со страничной организацией................................................ 216 Биты состояния страницы............................................................................................ 220 Пулы памяти.................................................................................................................... 222 Блок управления памятью.................................................................................................223 Резюме....................................................................................................................................226 Упражнения..........................................................................................................................227 Глава 8. Методы повышения производительности..................................................229 Технические требования...................................................................................................230 Кеш-память...........................................................................................................................230 Многоуровневое кеширование в процессорах........................................................ 232 Статическая оперативная память...............................................................................233 Кеш первого уровня....................................................................................................... 235 Кеш с прямым отображением......................................................................................235 Наборно-ассоциативный кеш.......................................................................................239 Полностью ассоциативный кеш................................................................................. 241 Политики записи в кеш процессора...........................................................................242 Кеши процессора второго и третьего уровней........................................................ 243 Конвейерная обработка инструкций..............................................................................245 Суперконвейеризация....................................................................................................248 Конфликты конвейеризации........................................................................................250 Микрооперации и переименование регистров........................................................252 Условное ветвление....................................................................................................... 253 Одновременная многопоточность.................................................................................. 254 Модель обработки 8ІМО...................................................................................................256 Резюме....................................................................................................................................258 Упражнения.......................................................................................................................... 258 Глава 9. Специализированные расширения процессоров......................................260 Технические требования...................................................................................................260 Привилегированные режимы процессора..................................................................... 261 Обработка прерываний и исключений...................................................................... 261 Кольца защиты................................................................................................................265 Режим супервизора и режим пользователя.............................................................. 267 Системные вызовы...........................................................................................................268 Арифметика с плавающей запятой..................................................................................269 Сопроцессор 8087 для вычислений с плавающей запятой....................................272 Стандарт вычислений с плавающей запятой IEEE 754......................................... 274 Управление питанием......................................................................................................... 275 Динамическое изменение напряжения и частоты...................................................276 Управление безопасностью системы..............................................................................277 Доверенный платформенный модуль........................................................................ 280 Противодействие кибератакам.................................................................................... 281 Резюме..................................................................................................................................... 282 Упражнения........................................................................................................................... 283 Глава 10. Современные архитектуры и наборы инструкций процессоров.............................................................................................................................. 285 Технические требования....................................................................................................285 Архитектура и набор инструкций х86............................................................................ 286 Набор регистров архитектуры х86..............................................................................288 Режимы адресации х86...................................................................................................292 Категории инструкций х86............................................................................................ 295 Форматы инструкций х86.............................................................................................. 300 Язык ассемблера х86....................................................................................................... 301 Архитектура и набор инструкций х64.............................................................................304 Набор регистров архитектуры х64..............................................................................306 Категории и форматы инструкций х64...................................................................... 307 Язык ассемблера х64....................................................................................................... 307 Архитектура и набор инструкций 32-разрядных процессоров ARM..................... 310 Набор регистров ARM....................................................................................................312 Режимы адресации ARM............................................................................................... 313 Категории инструкций ARM.........................................................................................316 32-разрядный язык ассемблера ARM......................................................................... 319 Архитектура и набор инструкций 64-разрядных процессоров ARM..................... 321 64-разрядный язык ассемблера ARM......................................................................... 323 Резюме..................................................................................................................................... 325 Упражнения........................................................................................................................... 325 Глава 11. Архитектура и набор инструкций RISC-V................................................328 Технические требования....................................................................................................329 Архитектура и приложения RISC-V................................................................................329 Базовый набор инструкций RISC-V................................................................................ 332 Вычислительные инструкции.......................................................................................333 Инструкции потока управления................................................................................... 334 Инструкции доступа к памяти.................................................................................... 334 Системные инструкции................................................................................................ 335 Псевдоинструкции......................................................................................................... 336 Уровни привилегий........................................................................................................ 338 Расширения RISC-V............................................................................................................340 Расширение М................................................................................................................. 340 Расширение А.................................................................................................................. 341 Расширение С.................................................................................................................. 342 Расширения F и D............................................................................................................342 Другие расширения........................................................................................................ 343 Варианты RISC-V................................................................................................................ 344 64-разрядная архитектура RISC-V................................................................................. 345 Стандартные конфигурации RISC-V..............................................................................346 Язык ассемблера RISC-V...................................................................................................347 Реализация концепции RISC-V в ПЛИС........................................................................348 Резюме....................................................................................................................................352 Упражнения..........................................................................................................................353 Глава 12. Виртуализация процессоров..........................................................................355 Технические требования...................................................................................................356 Введение в виртуализацию.............................................................................................. 356 Типы виртуализации...................................................................................................... 356 Категории виртуализации процессоров.................................................................... 360 Проблемы виртуализации.................................................................................................365 Небезопасные инструкции........................................................................................... 366 Теневые таблицы страниц............................................................................................ 367 Безопасность.....................................................................................................................367 Виртуализация современных процессоров................................................................... 368 Виртуализация процессоров х86................................................................................ 368 Виртуализация процессоров ARM.............................................................................370 Виртуализация процессоров RISC-V........................................................................ 371 Инструменты виртуализации........................................................................................... 372 VirtualBox..........................................................................................................................372 VMware Workstation....................................................................................................... 373 VMware ESXi................................................................................................................... 373 KVM...................................................................................................................................373 Xen...................................................................................................................................... 374 QEMU.................................................................................................................................374 Виртуализация и облачные вычисления........................................................................375 Потребление электроэнергии.......................................................................................376 Резюме....................................................................................................................................376 Упражнения..........................................................................................................................377 Глава 13. Специализированные компьютерные архитектуры............................................... 378 Технические требования................................................................................................... 378 Проектирование архитектуры компьютерных систем на основе уникальных требований.....................................................................................................379 Архитектура смартфона.....................................................................................................380 iPhone 13 Pro Max.............................................................................................................381 Архитектура персонального компьютера......................................................................384 Игровой настольный компьютер Alienware Aurora Ryzen Edition RIO............................... 384 Вычислительная архитектура масштаба центра обработки данных................................. 389 Аппаратные средства WSC........................................................................................... 390 Стоечные серверы............................................................................................................392 Управление отказами аппаратных средств............................................................... 395 Потребление электроэнергии........................................................................................395 WSC как многоуровневый информационный кеш....................................................... 396 Развертывание облачного приложения...................................................................... 397 Архитектура процессоров для нейронных сетей и машинного обучения........................ 401 Нейропроцессор Intel Nervana..................................................................................... 401 Резюме..................................................................................................................................... 405 Упражнения........................................................................................................................... 405 Глава 14. Архитектуры для обеспечения кибербезопасности и конфиденциальности вычислений...............................................................................407 Технические требования....................................................................................................408 Угрозы кибербезопасности............................................................................................... 408 Категории угроз кибербезопасности.......................................................................... 408 Методы кибератак........................................................................................................... 410 Типы вредоносного программного обеспечения.................................................... 412 Действия после проникновения................................................................................... 414 Особенности защищенного оборудования....................................................................416 Определите, что нуждается в защите......................................................................... 416 Рассматривайте все типы атак..................................................................................... 417 Особенности конструкции защищенных систем.................................................... 419 Конфиденциальные вычисления..................................................................................... 422 Меры безопасности на уровне архитектуры................................................................ 425 Избегайте защиты посредством сокрытия информации.......................................425 Комплексный подход к безопасному проектированию.........................................427 Принцип наименьших привилегий..............................................................................427 Архитектура нулевого доверия.................................................................................... 428 Обеспечение безопасности системного и прикладного ПО......................................429 Общие слабые места программного обеспечения..................................................430 Проверка безопасности исходного кода....................................................................433 Резюме..................................................................................................................................... 433 Упражнения........................................................................................................................... 434 Глава 15. Архитектуры блокчейна и майнинга биткоинов................................... 436 Технические требования...................................................................................................437 Введение в блокчейн и биткоин......................................................................................437 Алгоритм хеширования SHA-256...............................................................................441 Вычисление хеша SHA-256..........................................................................................443 Программное обеспечение Bitcoin Core.................................................................... 444 Процесс майнинга биткоинов.......................................................................................... 445 Пулы майнинга биткоинов........................................................................................... 447 Майнинг с помощью центрального процессора.....................................................449 Майнинг с помощью графического процессора.....................................................450 Компьютерные архитектуры для майнинга биткоинов.............................................451 Майнинг с помощью ПЛИС.........................................................................................453 Майнинг с помощью ASIC...........................................................................................455 Экономика майнинга биткоинов................................................................................ 458 Альтернативные виды криптовалют..............................................................................459 Резюме....................................................................................................................................460 Упражнения..........................................................................................................................461 Глава 16. Архитектуры для самоуправляемых автомобилей...............................462 Технические требования...................................................................................................463 Обзор самоуправляемых автомобилей...........................................................................463 Уровни автономности вождения................................................................................ 464 Аспекты безопасности самоуправляемых автомобилей...........................................466 Требования к аппаратным средствам и программному обеспечению для самоуправляемых автомобилей...............................................................................468 Наблюдение за состоянием транспортного средства и его окружением.........469 Распознавание окружающей обстановки..................................................................473 Принятие решений......................................................................................................... 484 Вычислительная архитектура автономного транспортного средства....................486 Автопилот Tesla HW3....................................................................................................487 Резюме....................................................................................................................................489 Упражнения..........................................................................................................................489 Глава 17. Квантовые вычисления и другие перспективные направления в вычислительных архитектурах........................................................ 491 Технические требования...................................................................................................492 Текущее развитие компьютерных архитектур............................................................ 492 Экстраполяция современных тенденций в будущее.................................................. 494 Закон Мура — новый взгляд........................................................................................494 Третье измерение............................................................................................................495 Распространение специализированных устройств................................................ 496 Потенциально прорывные технологии.......................................................................... 497 Квантовая физика.............................................................................................................497 Спинтроника..................................................................................................................... 498 Квантовые вычисления...................................................................................................500 Квантовый взлом кода....................................................................................................501 Адиабатические квантовые вычисления....................................................................502 Будущее квантовых вычислений................................................................................. 503 Углеродные нанотрубки.................................................................................................504 Формирование набора навыков с заделом на будущее..............................................506 Непрерывное обучение...................................................................................................506 Высшее образование....................................................................................................... 508 Конференции и литература...........................................................................................509 Резюме..................................................................................................................................... 510 Упражнения........................................................................................................................... 513 Приложение. Ответы к упражнениям..................................................................................515 Глава 1. Введение в архитектуру компьютеров................................................................... 515 Упражнение 1....................................................................................................................515 Упражнение 2....................................................................................................................517 Упражнение 3................................................................................................................... 521 Упражнение 4................................................................................................................... 525 Упражнение 5................................................................................................................... 526 Упражнение 6................................................................................................................... 528 Глава 2. Цифровая логика..................................................................................................530 Упражнение 1................................................................................................................... 530 Упражнение 2....................................................................................................................530 Упражнение 3....................................................................................................................531 Упражнение 4................................................................................................................... 533 Упражнение 5................................................................................................................... 534 Упражнение 6................................................................................................................... 536 Глава 3. Элементы процессора............................................................................................539 Упражнение 1................................................................................................................... 539 Упражнение 2................................................................................................................... 540 Упражнение 3....................................................................................................................540 Упражнение 4....................................................................................................................541 Упражнение 5....................................................................................................................543 Упражнение 6....................................................................................................................545 Глава 4. Компоненты компьютерной системы...................................................................... 551 Упражнение 1................................................................................................................... 551 Упражнение 2....................................................................................................................552 Глава 5. Аппаратно-программный интерфейс...................................................................... 552 Упражнение 1....................................................................................................................552 Упражнение 2....................................................................................................................553 Содержание 15 Глава 6. Специализированные вычисления.........................................................................554 Упражнение 1...................................................................................................................554 Упражнение 2.................................................................................................................. 555 Упражнение 3.................................................................................................................. 557 Глава 7. Архитектура процессоров и памяти.......................................................................558 Упражнение 1.................................................................................................................. 558 Упражнение 2.................................................................................................................. 558 Упражнение 3.................................................................................................................. 559 Глава 8. Методы повышения производительности................................................................561 Упражнение 1.................................................................................................................. 561 Упражнение 2.................................................................................................................. 562 Упражнение 3.................................................................................................................. 562 Глава 9. Специализированные расширения процессоров.....................................................563 Упражнение 1.................................................................................................................. 563 Упражнение 2.................................................................................................................. 565 Упражнение 3.................................................................................................................. 569 Упражнение 4.................................................................................................................. 569 Упражнение 5.................................................................................................................. 570 Упражнение 6.................................................................................................................. 570 Упражнение 7.................................................................................................................. 570 Упражнение 8.................................................................................................................. 571 Глава 10. Современные архитектуры и наборы инструкций процессоров...............................571 Упражнение 1.................................................................................................................. 571 Упражнение 2.................................................................................................................. 575 Упражнение 3.................................................................................................................. 580 Упражнение 4.................................................................................................................. 583 Упражнение 5.................................................................................................................. 588 Упражнение 6.................................................................................................................. 590 Упражнение 7.................................................................................................................. 595 Упражнение 8.................................................................................................................. 598 Глава 11. Архитектура и набор инструкций RISC-V............................................................. 604 Упражнение 1.................................................................................................................. 604 Упражнение 2.................................................................................................................. 604 Упражнение 3.................................................................................................................. 606 Глава 12. Виртуализация процессоров...............................................................................609 Упражнение 1...................................................................................................................609 Упражнение 2.................................................................................................................. 611 Упражнение 3.................................................................................................................. 613 Глава 13. Специализированные компьютерные архитектуры................................................614 Упражнение 1.................................................................................................................. 614 Упражнение 2.................................................................................................................. 615 Глава 14. Архитектуры для обеспечения кибербезопасности и конфиденциальности вычислений..................................................................................... 617 Упражнение 1.................................................................................................................. 617 Упражнение 2.................................................................................................................. 618 Упражнение 3.................................................................................................................. 618 Глава 15. Архитектуры блокчейна и майнинга биткоинов.....................................................619 Упражнение 1................................................................................................................... 619 Упражнение 2................................................................................................................... 621 Глава 16. Архитектуры для самоуправляемых автомобилей.................................................. 622 Упражнение 1................................................................................................................... 622 Упражнение 2................................................................................................................... 623 Упражнение 3................................................................................................................... 625 Упражнение 4................................................................................................................... 629 Глава 17. Квантовые вычисления и другие перспективные направления в вычислительных архитектурах........................................................................................ 633 Упражнение 1....................................................................................................................633 Упражнение 2................................................................................................................... 634 Упражнение 3................................................................................................................... 635 Упражнение 4................................................................................................................... 637 Предметный указатель....................................................................................................... 639
 |
|||||||||||||||||||
![[Profile]](./templates/default/images/lang/en/icon_profile.gif "View user's profile"){kind=icon} ![[PM]](./templates/default/images/lang/en/icon_pm.gif "Send private message"){kind=icon} |
||||||||||||||||||||
![[Quote]](./templates/default/images/lang/en/icon_quote.gif "Reply with quote"){kind=icon}
| Forum | Topic | Author | Size |
|---|---|---|---|
| Programming | Валединский, |
Programmer | 17 MB |
|
|
Home » Books and magazines » Computer literature » Hardware (books about PCs) |
Current time is: 24-Feb 14:31
All times are UTC + 2
You cannot post new topics in this forum
You cannot reply to topics in this forum You cannot edit your posts in this forum You cannot delete your posts in this forum You cannot vote in polls in this forum You cannot attach files in this forum You can download files in this forum |