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.
Вы — разработчик программного обеспечения, системный архитектор или студент, изучающий устройство компьютеров?
Вы ищете издание, которое подробно познакомит вас с внутренней архитектурой и принципами работы цифровых устройств?
В этом пошаговом руководстве на практических примерах вы узнаете, как работают современные компьютерные системы, виртуальные машины, смартфоны и облачные серверы. Вы получите представление о внутреннем устройстве процессоров и поймете, как они выполняют код, написанный на языках высокого уровня.
Из этой книги вы
- узнаете об основах современных компьютерных систем;
- подробно изучите устройство процессоров, включая логические вентили, триггеры, регистры, последовательную логику, обработку прерываний и конвейеры управления;
- исследуете процессорные архитектуры и наборы инструкций, включая x86, x64, ARM и RISC-V;
- узнаете, как реализовать процессор RISC-V на недорогой плате FPGA (ПЛИС);
- напишете программу для квантовых вычислений и запустите ее на реальном квантовом компьютере.
Второе издание включает в себя описание архитектуры и принципов проектирования, лежащих в основе таких важных областей, как кибербезопасность, блокчейн и майнинг криптовалют, а также управление беспилотными автомобилями. Прочитав эту книгу, вы получите глубокое представление о современных процессорах и архитектуре компьютеров, а также о будущих направлениях развития этих технологий.
Книгу “Современная архитектура и устройство компьютеров. 2-е издание” можно купить со скидкой в интернет-магазине издательства “БХВ“.
Предисловие.. 17
Составители.. 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
VHDL. 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 ……. 108
Обработка …….. 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
M.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 PCIe. 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
АЦП и ЦАП.. 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 SIMD.. 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 x86. 286
Набор регистров архитектуры x86. 288
Режимы адресации x86. 292
Категории инструкций x86. 295
Форматы инструкций x86. 300
Язык ассемблера x86. 301
Архитектура и набор инструкций x64. 304
Набор регистров архитектуры x64. 306
Категории и форматы инструкций x64. 307
Язык ассемблера x64. 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 M.. 340
Расширение A.. 341
Расширение C.. 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 x86. 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 R10. 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
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
Джим Ледин (Jim Ledin) — исполнительный директор компании Ledin Engineering, Inc. Джим является экспертом в области проектирования и тестирования встроенного программного обеспечения и аппаратных средств, а также экспертом в области оценки кибербезопасности систем и тестирования на проникновение. Джим имеет степень бакалавра в области аэрокосмической техники от Университета штата Айова и степень мастера в области электротехники и вычислительной техники от Технологического института Джорджии. Он является зарегистрированным профессиональным инженером-электриком в штате Калифорния, сертифицированным специалистом по безопасности информационных систем (Certified InformationSystem Security Professional, CISSP), сертифицированным этичным хакером (CertifiedEthical Hacker, CEH) и сертифицированным специалистом
