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第1章　概述1

1.1　本书学习目标1

1.2　读者知识背景1

1.3　本书主要内容1

1.4　本章目标1

1.5　技术趋势2

1.6　性能量度2

1.6.1　MIPS3

1.6.2　CPI/IPC3

1.6.3　基准测试套件4

1.6.4　几何平均数与算术平均数4

1.7　加速比5

1.8　Amdahl定律5

1.9　本章小结6

本章习题与解析6

第2章　数据表示与计算机算术运算14

2.1　本章学习目标14

2.2　从电子信号到位14

2.3　正整数的二进制表示15

2.4　正整数的算术运算16

2.4.1　加法和减法16

2.4.2　乘法18

2.4.3　除法18

2.4.4　上溢或下溢19

2.5　负整数19

2.5.1　原码表示法19

2.5.2 二进制补码表示法20

2.5.3　符号扩展22

2.6　浮点数22

2.6.1　非数字与非规格化数25

2.6.2　浮点数的算术运算26

2.7　本章小结28

本章习题与解析29

第3章　计算机组织37

3.1　本章学习目标37

3.2　本章导言37

3.3　程序38

程序开发工具39

3.4　操作系统41

3.4.1　多道程序设计41

3.4.2　保护42

3.4.3　特权模式42

3.5　计算机组织43

3.5.1　处理器43

3.5.2 内存系统44

3.5.3　I/O子系统45

3.6　本章小结46

本章习题与解析46

第4章　编程模型51

4.1　本章目标51

4.2　本章导言51

4.3　指令类型52

4.3.1　算术操作52

4.3.2 内存操作54

4.3.3　比较操作55

4.3.4　控制操作56

4.4　基于栈的体系结构57

4.4.1 栈57

4.4.2　实现栈58

4.4.3　基于栈的体系结构的指令60

4.4.4　基于栈的指令集60

4.4.5　基于栈的体系结构中的程序62

4.5　通用寄存器体系结构63

4.5.1　通用寄存器体系结构中的指令64

4.5.2　GPR指令集65

4.5.3　通用寄存器体系结构的程序66

4.6 比较基于栈的体系结构与通用寄存器体系结构67

4.7　利用栈实现过程调用68

调用约定69

4.8　本章小结69

本章习题与解析70

第5章　处理器设计77

5.1　本章目标77

5.2　本章导言77

5.3　指令集体系结构78

5.3.1 比较RISC与CISC78

5.3.2　寻址方式80

5.3.3　多媒体向量指令82

5.3.4　定长指令编码与变长指令编码83

5.4　处理器微体系结构84

5.4.1　执行单元85

5.4.2　微程序设计86

5.4.3　寄存器文件设计86

5.5　本章小结87

本章习题与解析88

第6章　流水线94

6.1　本章目标94

6.2　本章导言94

6.3　流水线95

6.3.1　流水线处理器的周期时间96

6.3.2　流水线延时98

6.4　指令相关及其对吞吐率的影响98

6.4.1　转移101

6.4.2　结构相关102

6.4.3　记分板103

6.5　预测流水线处理器的执行时间103

6.6　结果转发（旁路）106

6.7　本章小结109

本章习题与解析110

第7章　指令级并行性119

7.1　本章目标119

7.2　本章导言119

7.3　什么是指令级并行性121

7.4　指令级并行性的局限性121

7.5　超标量处理器123

7.6　顺序执行与乱序执行123

7.6.1 顺序执行处理器的执行时间预测123

7.6.2　乱序执行处理器的执行时间预测124

7.6.3　乱序执行处理器的实现问题125

7.7　寄存器重命名126

7.8　超长指令字处理器128

超长指令字的利弊130

7.9　指令级并行性的编译技术131

7.9.1　循环展开131

7.9.2　软件流水线方法133

7.10　本章小结134

本章习题与解析135

第8章　内存系统146

8.1 本章目标146

8.2　本章导言146

8.3　延时、吞吐率和带宽146

流水线、并行性和预充电147

8.4　内存层次结构149

8.4.1　层次级别150

8.4.2　术语150

8.4.3 平均访问时间151

8.5　内存技术152

8.5.1 内存芯片组织152

8.5.2　SRAM153

8.5.3　DRAM154

8.5.4　DRAM刷新154

8.5.5　DRAM访问时序155

8.5.6　页面模式以及更新的DRAM156

8.6　本章小结157

本章习题与解析158

第9章　Cache165

9.1　本章目标165

9.2　本章导言165

9.3　数据Cache、指令Cache和统一Cache166

9.4　描述Cache167

9.5　容量167

9.6　行长167

9.7　相联度168

9.7.1　全相联Cache169

9.7.2　直接映射Cache169

9.7.3　组相联Cache171

9.8　替换策略172

9.9 比较写回式Cache与直写式Cache173

9.10　Cache实现175

9.11　标记阵列175

9.12　命中／缺失逻辑176

9.13　数据阵列177

9.14　Cache缺失访问的分类178

9.15　多级Cache179

9.16　本章小结180

本章习题与解析180

第10章　虚拟内存190

10.1 本章目标190

10.2　本章导言190

10.3　地址转换191

10.4　请求调页与页面交换193

10.5　页表193

10.5.1 多级页表194

10.5.2　反向页表196

10.6　TLB197

10.6.1　比较TLB缺失与缺页198

10.6.2　TLB组织198

10.6.3　超页（页块）199

10.7　保护199

10.8　Cache与虚拟内存201

10.9　本章小结202

本章习题与解析203

第11章　输入输出208

11.1　本章目标208

11.2　本章导言208

11.3　I/O总线209

访问I/O总线210

11.4　中断210

11.4.1　实现中断211

11.4.2　中断优先级212

11.4.3　比较轮询与中断212

11.5　内存映射I/O213

11.6　DMA214

11.7　输入输出设备215

11.8　磁盘系统216

11.8.1　硬盘组织结构217

11.8.2　请求调度218

11.9　本章小结220

本章习题与解析220

第12章　多处理器227

12.1　本章目标227

12.2　本章导言227

12.3　加速比与性能227

12.3.1　加速比的局限性228

12.3.2　超线性加速比229

12.4　多处理器系统230

12.5　消息传递系统232

12.6　共享内存系统232

12.6.1　内存一致性模型233

12.6.2　严格一致性233

12.6.3　Cache一致性234

12.6.4　MESI协议235

12.6.5　基于总线的共享内存系统237

12.6.6　同步237

12.7 比较消息传递与共享内存238

12.8　本章小结239

本章习题与解析239