MIPS体系结构透视

内容概要

DominicSweetman，富有大量实践经验的硬件系统，CPU、网络和操作系统设计者和开发者。他的丰富经验来自于低层编码、操作系统开发、局域网和分布式系统。他是Whitechapel Workstions的创立者之一，并在1988年创建了一家MIPS咨询公司——Algorithmics。

书籍目录

出版者的话

专家指导委员会

推荐序

译者序

序言

前言

第1章 RISC和MlPS

1.1 流水线

1.1.1 什么使流水线效率降低

1.1.2 流水线和缓存

1.2 MIPS的五段流水线

1.3 RISC和CISC

1.4 迄今为止一些重要的MIPS芯片

1.4.1 R2000处理器到R3000处理器

1.4.2 R6000处理器：一次偏轨

1.4.3 第一批CPLJ内核

1.4.4 R4000处理器：一次革命

1.4.5 ACE联盟的兴衰

1.4.6 SGI收购MIPS

1.4.7 QED：嵌入式系统中的快速MIPS处理器

1.4.8 R10000处理器和它的后继者

1.4.9 消费类电子产品中的MIPS处理器

1.4.10 网络路由器和激光打印机中的MIPS

1.4.11 现代的MIPS处理器

1.4.12 MIPS Technologies的重生

1.4.13 现状

1.5 MIPS和CISC体系结构的比较

1.5.1 对MIPS指令的各种限制

1.5.2 编址及内存访问

1.5.3 发展MIPS不支持的特性

1.5.4 程序员可见的流水线效果

第2章 MIPS体系结构

2.1 MIPS汇编语言的风格

2.2 寄存器

2.3 整数乘法单元和寄存器

2.4 加载和存储：寻址方式

2.5 存储器和寄存器中的数据类型

2.5.1 整数数据类型

2.5.2 未对齐的加载和存储

2.5.3 内存中的浮点数据

2.6 汇编语言中的合成指令

2.7 MIPS 1发展到MIPS 64指令集：64位（和其他）的扩展

2.7.1 迈向64位

2.7.2 谁需要64位

2.7.3 关于64位与无模式转换：寄存器中的数据

2.8 基本地址空间

2.8.1 简单系统的寻址

2.8.2 核心与用户特权级別

2.8.3 整体视图：内存映射的64位视图

2.9 流水线的可见度

第3章 协处理器0：MIPS处理器控制

3.1 CPU控制指令

3.2 相关寄存器与时序

3.3 CPU控制寄存器及其编码

3.3.1 状态寄存器（SR）

3.3.2 原因寄存器

3.3.3 异常返回地址（EPC）寄存器

3.3.4 无效虚地址（BadVaddr）寄存器

3.3.5 计数/比较寄存器（Count/Compare）CPU上的计时器

3.3.6 处理器ID（PRId）寄存器

3.3.7 配置（Config）寄存器：CPU资源信息与配置

3.3.8 EBase和IntCtl：中断与异常设置

3.3.9 SRSCtl和SRSMap：影子寄存器设置

3.3.10 链接加载地址（LLAddr）寄存器

3.4 CPO冒险——不经意间的陷阱

3.4.1 冒险屏障指令

3.4.2 指令冒险与用户冒险

3.4.3 CPO指令之间的冒险

第4章 MIPS处理器的高速缓存

4.1 高速缓存和高速缓存的管理

4.2 高速缓存怎样工作

4.3 早期MIPS CPU中的写透式高速缓存

4.4 MIPs CPU中的写回式高速缓存

4.5 高速缓存设计的其他选择

4.6 管理高速缓存

4.7 二级和三级高速缓存

4.8 MIPS CPU高速缓存的配置

4.9 编程MIPS32/64高速缓存

4.9.1 Cache指令

4.9.2 高速缓存初始化和Tag/Data寄存器

4.9.3 CacheErr，ERR和ErrorEPC寄存器：内存/高速缓存的错误处理

4.9.4 计算高速缓存大小和配置方式

4.9.5 初始化例程

4.9.6 在高速缓存中无效或写回一个内存区域

4.10 高速缓存效率

4.11 重组软件来影响高速缓存效率

4.12 高速缓存别名

笫5章 异常、中断和初始化

5.1 精确异常

5.2 异常发生时刻

5.3 异常向量：异常处理开始的地方

5.4 异常处理：基础

5.5 从异常返回

5.6 嵌套异常

5.7 一个异常处理例程

5.8 中断

5.8.1 MIPS CPU中的中断资源

5.8.2 通过软件实现中断优先级

5.8.3 原子性和SR的原子改变

5.8.4 中断使能时的临界区：MIPS中的信号量机制

5.8.5 MIPS32/64中向量化和EIC扣断

5.8.6 影子寄存器

5.9 启动

5.9.1 探测和识别CPU型号

5.9.2 启动序列

5.9.3 启动一个应用程序

5.10 模拟指令

第6章 底层内存管理与TLB

6.1 TLB/MMU硬件和它的功能

6.2 TLB/MMU的寄存器描述

6.2.1 TLB关键字域——EntryHi和PageMask

6.2.2 TLB输出域——EntryLo0-1

6.2.3 选择一个TLB表项——Index，Random和Wired寄存器

6.2.4 页表访问助手——Context和XContext

6.3 TLB/MMU的控制指令

6.4 对TLB编程

6.4.1 如何进行重填

6.4.2 使用ASID

6.4.3 Random寄存器与被锁定表项

6.5 硬件友好的页表和重填机制

6.5.1 TLB缺失处理

6.5.2 XTLB的缺失处理函数

6.6 MIPS TLB的日常使用

6.7 更简单操作系统中的内存管理

第7章 浮点支持

7.1 浮点的基本描述

7.2 IEEE 754标准及其背景

7.3 怎样存储IEEE浮点数

7.3.1 IEEE尾数和规格化

7.3.2 使用特殊值时的预留指数值

7.3.3 MRS浮点数据格式

7.4 IEEE 754的MIPS实现

7.5 浮点寄存器

7.6 浮点异常/中断

7.7 浮点控制：控制/状态寄存器

7.8 浮点实现寄存器

7.9 浮点指令指南

7.9.1 加载/存储

7.9.2 寄存器间的传递

7.9.3 三操作数算术运算

7.9.4 乘加运算

7.9.5 一元（改变符号）运算

7.9.6 转换操作

7.9.7 条件分支和测试指令

7.10 成对单精度浮点指令和MIPS-3D ASE

7.10.1 成对单精度指令的异常

7.10.2 成对单精度的三操作数算术、乘加、改变符号和无条件移动操作

7.10.3 成对单精度转换操作

7.10.4 成对单精度测试和条件移动指令

7.10.5 MIPS-3D指令

7.11 指令时序需求

7.12 指令加速的时序

7.13 按需初始化和使能

7.14 浮点仿真

笫8章 MIPS指令集完全指南

8.1 一个简单的例子

8.2 汇编指令及其含义

8.2.1 U和非U助记符

8.2.2 除法助记符

8.2.3 指令的详细清单

8.3 浮点指令

8.4 MIPS32/64发行版1的区别

8.4.1 在发行版2中加入的常规指令

8.4.2 发行版2新加入的特权指令

8.5 特殊指令和它们的用途

8.5.1 向左加载/向右加载：地址非对齐的存取操作

8.5.2 链接加载/条件存储

8.5.3 条件传递指令

8.5.4 可能分支指令

8.5.5 整数乘累加指令和乘加指令

8.5.6 浮点乘加指令

8.5.7 多浮点条件标志位

8.5.8 缓存数据预取

8.5.9 存取内存屏障：Sync指令

8.5.10 冒险屏蔽指令

8.5.11 Synci：指令写入的缓存管理

8.5.12 读取硬件寄存器

8.6 指令的机器编码

8.6.1 指令编码表中的域

8.6.2 指令编码表的注意事项

8.6.3 编码方式和处理器的简单实现

8.7 指令集的功能分组

8.7.1 空操作

8.7.2 寄存器间的数据传递指令

8.7.3 常数加载指令

8.7.4 算术/逻辑操作指令

8.7.5 整数乘法、除法以及求余指令

8.7.6 整数乘累加指令

8.7.7 存取指令

8.7.8 跳转、分支和子程序调用指令

8.7.9 断点及陷阱指令

8.7.10 协处理器0功能

8.7.11 浮点操作指令

8.7.12 用户模式下对“底层”硬件的有限访问

第9章 阅读MIPS汇编语言

9.1 一个简单的例子

9.2 句法

9.3 指令的约定

9.3.1 计算指令：3寄存器、2寄存器和1寄存器

9.3.2 立即数：带常量的计算指令

9.3.3 关于64位和32位指令

9.4 寻址模式

9.5 目标文件和内存布局

第10章 在MIPS体系结构上移植软件

10.1 MIPS应用的底层软件：经常会遇到问题的列表

10.2 尾端：字、字节和位的顺序

10.2.1 位、字节、字和整数

10.2.2 软件和尾端

10.2.3 硬件和尾端

10.2.4 MIPS CPU的双尾端软件

10.2.5 可移植性和尾端无关代码

10.2.6 尾端和外来数据

10.3 可见缓存的问题

10.3.1 缓存管理和DMA数据

10.3.2 缓存管理和写指令：自修改代码

10.3.3 缓存管理和非缓存或写透数据

10.3.4 缓存別名和页面着色

10.4 存储访问顺序和重排

10.4.1 排序与写缓冲

10.4.2 实现wbflush

10.5 写C程序

10.5.1 用GNU C编译器包装汇编代码

10.5.2 映射为内存的I/O寄存器和“Volatile”

10.5.3 用C写MIPS应用程序的其他问题

第11章 MIPS软件标准（ABI）

11.1 数据表示和对齐

11.1.1 基本类型的大小

11.1.2 “long”型和指针型数据大小

11.1.3 对齐要求

11.1.4 基本类型的内存布局和尾端如何产生影响

11.1.5 内存的布局结构、数组类型和对齐

11.1.6 结构中的位域

11.1.7 C中的不对齐数据

11.2 参数传递以及MIPS ABI中的堆栈约定

11.2.1 堆栈、子例程链接和参数专递

11.2.2 032的堆栈参数结构

11.2.3 使用寄存器传递参数

11.2.4 C库中的例子

11.2.5 特殊的例子：传递结构

11.2.6 传递可变参数

11.2.7 函数返回值

11.2.8 扩展寄存器一使用约定：SGIn32和n64

11.2.9 堆栈布局、堆栈帧和辅助调试器

11.2.10 可变参数和stdargs

第12章 调试MIPS设计——调试和剖析特性

12.1 “EJTAG”片上调试单元

12.1.1 EJTAG历史

12.1.2 探头如何控制CPU

12.1.3 通过JTAG调试通信

12.1.4 调试模式

12.1.5 单步

12.1.6 dseg内存译码区域

12.1.7 EJTAG CPO寄存器，特殊调试

12.1.8 DCR（调试控制）内存映射寄存器

12.1.9 EJTAG断点硬件支持

12.1.10 理解断点条件

12.1.11 非精确调试断点

12.1.12 PC取样与EJTAG

12.1.13 使用没有探头的EJTAG

12.2 EJTAG之前的调试支持——break指令和CPO观察点

12.3 PDtrace

12.4 性能计数器

第13章 GNU几inux概览

13.1 组件

13.2 内核代码的层次

13.2.1 异常模式下的MIPS CPU

13.2.2 屏蔽部分或全部中断的MIPS CPU

13.2.3 中断上下文

13.2.4 线程上下文中执行内核

第14章 硬件与软件如何协同工作

14.1 中断的生命周期

14.2 线程、临界区和原子性

14.2.1 MIPS体系结构和原子操作

14.2.2 Linux自旋锁

14.3 系统调用时发生了什么

14.4 Linux/MIPS系统如何进行地址翻译

14.4.1 为什么进行内存翻译

14.4.2 基本进程布局与保护

14.4.3 映射进程地址到真实内存

14.4.4 选择页式映射

14.4.5 我们真正需要的

14.4.6 MIPs设计的起源

14.4.7 记录被修改的页面（模拟“脏”位）

14.4.8 内核如何服务一个TLB重填异常

14.4.9 TLB的注意事项与维护

14.4.10 内存翻译与64位指针

第15章 Linux内核中的MIPS特有问题

15.1 显式缓存管理

15.1.1 DMA设备访问

15.1.2 写入指令稍后执行

15.1.3 缓存/内存映射问题

15.1.4 缓存别名

15.2 CPO流水线冒险

15.3 多处理器系统与一致性缓存

15.4 对一个关键例程的极度优化调整

第16章 Linux应用程序代码、PIC和库

16.1 链接单元如何进入程序

16.2 全局偏移表（GOT）组织

附录A MIPS多线程

附录B MIPS指令集的其他可选扩展

MIPS术语表

参考文献

编辑推荐

　　本书是“计算机科学丛书”之一，全书共分16个章节，对MIPS的体系结构透视作了全面系统地介绍，具体包括MIPS体系结构、MIPS处理器的高速缓存、底层内存管理与TLB、浮点支持、MIPS指令集完全指南、在MIPS体系结构上移植软件等。该书可供各大专院校作为教材使用，也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。　　大多数”体系结构概览”类的书籍对体系结构的汇编语言语焉不详，只是给出令人厌烦的概述。然而，本书却是一个典型的反例，为所有这类书的作者树立了一个榜样。作者不但提供了体系结构参考所必需的细节，还以对关键体系结构特点（及其原理）富有洞察力的视角表达出这些细节。　　元论对于通用的计算机还是对于MlPS来说，本书都是非常有用的书籍。它阐述了渗入到体系结构发展中的技术、经济和历史和政治等因素。　　第2版的一个重要补充涉及操作系统、移植以及ABl等问题。本书对于软件开发者来说是一本优秀的参考书。任何从事MIPS体系结构相关工作的人都会乐于拥有这本书。　　——Randy AIIen，Catalytic公司的创始人和首席技术官　　本书是任何MIPS体系结构参考手册的极好伴侣。本版延续了第1版的传统，通过具体实例强调硬件／软件接口。另外，第2版增加了最新的，从MIPS—I／V体系结构到MIPS－32／64体系结构的转变，其中包括支持多线程的体系结构。总之，这是任何热衷MIPs体系结构的程序员的必备书籍。　　——Jan-WiIlem van de Waerdt，飞利浦半导体研究院　　第2版不仅对第1版进行了彻底的更新，而且将应用广泛的RISC系统结构MIPS与开源操作系统Linux结合在一起。本书的第一部分从MIPS设计原理开始，进而阐述MIPSt旨令集和程序员资源。书中以MIPS 32／MIPS64标准为基准，对其他体系结构进行了比较。　　与第1版相比，第2版的显著变化是面图片的小企鹅坐在驾驶员的位置上，本书以此作为研究来自Linux 内核的真正的低层操作系统的实例，展示Linux（包括单处理器和DSMP）如何构建于MIPS体系结构所提供的基础之上。本书从操作系统的底层（中断、内存调度）开始，进而描述Linux／MIPS应用代码如何载入到内存、连接到库并运行。

作者简介

《计算机科学丛书•MTPS体系结构透视》是一本关于MIPS体系结构的经典之作。第2版延续了第1版的可读性传统，通过应用具体的实例对硬件和软件的接口进行强调，并将广泛应用的RISC系统结构MIPS与开源操作系统Linux结合在一起，从MIPS设计原理开始，阐述MIPS指令集和程序员的可用资源。

第2版在描述Linux／MIPS应用代码如何载入到内存、如何连接到库以及如何运行等方面做了介绍。此外，书中还提供了完整的、经过更新的MIPS指令集指南。

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