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第1章 计算机系统概论1

1.1计算机的分类1

1.2计算机的发展简史2

1.2.1计算机的五代变化2

1.2.2半导体存储器的发展3

1.2.3微处理器的发展3

1.2.4计算机的性能指标5

1.3计算机的硬件5

1.3.1硬件组成要素5

1.3.2运算器7

1.3.3存储器7

1.3.4控制器8

1.3.5适配器与输入输出设备11

1.4计算机的软件11

1.4.1软件的组成与分类11

1.4.2软件的发展演变12

1.5计算机系统的层次结构13

1.5.1多级组成的计算机系统13

1.5.2软件与硬件的逻辑等价性14

1.5.3三个常用术语的物理概念15

1.5.4计算机体系结构的分类15

本章小结16

习题16

第2章 运算方法和运算器18

2.1数据与文字的表示方法18

2.1.1数据格式18

2.1.2数的机器码表示21

2.1.3字符与字符串的表示方法25

2.1.4汉字的表示方法27

2.1.5校验码28

2.2定点加法、减法运算29

2.2.1补码加法29

2.2.2补码减法30

2.2.3溢出概念与检测方法31

2.2.4基本的二进制加法减法器32

2.3定点乘法运算34

2.3.1原码并行乘法34

2.3.2直接补码并行乘法39

2.4定点除法运算41

2.4.1原码除法算法原理41

2.4.2并行除法器43

2.5定点运算器的组成45

2.5.1逻辑运算45

2.5.2多功能算术逻辑运算单元47

2.5.3内部总线51

2.5.4定点运算器的基本结构52

2.6浮点运算方法和浮点运算器53

2.6.1浮点加法、减法运算53

2.6.2浮点乘法、除法运算56

2.6.3浮点运算流水线58

2.6.4浮点运算器实例61

本章小结63

习题63

第3章 内部存储器66

3.1存储器概述66

3.1.1存储器的分类66

3.1.2存储器的分级67

3.1.3主存储器的技术指标68

3.2 SRAM存储器68

3.2.1基本的静态存储元阵列68

3.2.2基本的SRAM逻辑结构69

3.2.3读写周期波形图70

3.3 DRAM存储器71

3.3.1 DRAM存储元的记忆原理71

3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构72

3.3.3读写周期、刷新周期73

3.3.4存储器容量的扩充74

3.3.5高级的DRAM结构76

3.3.6 DRAM主存读写的正确性校验80

3.4只读存储器和闪速存储器81

3.4.1只读存储器ROM81

3.4.2FLASH存储器84

3.5并行存储器87

3.5.1双端口存储器87

3.5.2多模块交叉存储器90

3.6 cache存储器93

3.6.1 cache基本原理93

3.6.2主存与cache的地址映射95

3.6.3替换策略99

3.6.4 cache 的写操作策略100

3.6.5 Pentium 4的cache组织100

本章小结101

习题102

第4章 指令系统104

4.1指令系统的发展与性能要求104

4.1.1指令系统的发展104

4.1.2对指令系统性能的要求105

4.1.3低级语言与硬件结构的关系105

4.2指令格式106

4.2.1操作码107

4.2.2地址码107

4.2.3指令字长度108

4.2.4指令助记符109

4.2.5指令格式举例109

4.3操作数类型112

4.3.1一般的数据类型112

4.3.2 Pentium数据类型112

4.3.3 Power PC数据类型113

4.4指令和数据的寻址方式113

4.4.1指令的寻址方式113

4.4.2操作数基本寻址方式114

4.4.3寻址方式举例118

4.5典型指令122

4.5.1指令的分类122

4.5.2基本指令系统的操作123

4.5.3精简指令系统125

本章小结126

习题127

第5章 中央处理机129

5.1 CPU的功能和组成129

5.1.1 CPU的功能129

5.1.2 CPU的基本组成129

5.1.3 CPU中的主要寄存器131

5.1.4操作控制器与时序产生器132

5.2指令周期132

5.2.1指令周期的基本概念132

5.2.2 MOV指令的指令周期134

5.2.3 LAD指令的指令周期136

5.2.4 ADD指令的指令周期137

5.2.5 STO指令的指令周期138

5.2.6 JMP指令的指令周期140

5.2.7用方框图语言表示指令周期141

5.3时序产生器和控制方式143

5.3.1时序信号的作用和体制143

5.3.2时序信号产生器144

5.3.3控制方式146

5.4微程序控制器147

5.4.1微程序控制原理147

5.4.2微程序设计技术153

5.5硬连线控制器157

5.6传统CPU159

5.6.1 Intel 8088 CPU159

5.6.2 IBM 370系列CPU161

5.7流水CPU162

5.7.1流水CPU的结构162

5.7.2流水线中的主要问题164

5.7.3奔腾CPU166

5.8 RISC CPU171

5.8.1 RISC CPU的特点171

5.8.2 RISC CPU实例172

5.9多媒体CPU176

5.9.1多媒体技术的主要问题176

5.9.2 MMX技术177

本章小结179

习题180

第6章 总线系统183

6.1总线的概念和结构形态183

6.1.1总线的基本概念183

6.1.2总线的连接方式184

6.1.3总线的内部结构186

6.2总线接口187

6.2.1信息传送方式187

6.2.2总线接口的基本概念189

6.3总线的仲裁190

6.3.1集中式仲裁191

6.3.2分布式仲裁192

6.4总线的定时和数据传送模式193

6.4.1总线的定时193

6.4.2总线数据传送模式195

6.5 HOST总线和PCI总线196

6.5.1多总线结构196

6.5.2 PCI总线信号197

6.5.3总线周期类型198

6.5.4总线周期操作200

6.5.5总线仲裁201

6.6 InfiniBand标准201

6.6.1 InfiniBand的体系结构201

6.6.2 InfiniBand的通信协议203

本章小结204

习题205

第7章 外围设备207

7.1外围设备概述207

7.1.1外围设备的一般功能207

7.1.2外围设备的分类208

7.2磁盘存储设备209

7.2.1磁记录原理209

7.2.2磁盘的组成和分类211

7.2.3磁盘驱动器和控制器212

7.2.4磁盘上信息的分布214

7.2.5磁盘存储器的技术指标215

7.3磁盘存储设备的技术发展216

7.3.1磁盘cache216

7.3.2磁盘阵列RAID217

7.3.3可移动存储设备218

7.4磁带存储设备219

7.5光盘和磁光盘存储设备220

7.5.1光盘存储设备220

7.5.2磁光盘存储设备222

7.6显示设备223

7.6.1显示设备的分类与有关概念223

7.6.2字符图形显示器224

7.6.3图像显示设备226

7.6.4 VESA显示标准227

7.7输入设备和打印设备230

7.7.1输入设备230

7.7.2打印设备231

本章小结232

习题233

第8章 输入输出系统235

8.1外围设备的速度分级与信息交换方式235

8.1.1外围设备的速度分级235

8.1.2信息交换方式236

8.2程序查询方式238

8.3程序中断方式241

8.3.1中断的基本概念241

8.3.2程序中断方式的基本I/O接口243

8.3.3单级中断和多级中断244

8.3.4中断控制器249

8.3.5 Pentium中断机制250

8.4 DMA方式252

8.4.1 DMA的基本概念252

8.4.2 DMA传送方式253

8.4.3基本的DMA控制器255

8.4.4选择型和多路型DMA控制器257

8.5通道方式259

8.5.1通道的功能260

8.5.2通道的类型261

8.5.3通道结构的发展262

8.6通用IO标准接口263

8.6.1并行IO标准接口SCSI263

8.6.2串行IO标准接口IEEE 1394264

本章小结266

习题267

第9章 操作系统支持270

9.1操作系统概述270

9.1.1操作系统的概念270

9.1.2操作系统的功能271

9.1.3操作系统的特性及其需要解决的问题273

9.1.4操作系统的硬件环境274

9.2调度276

9.2.1进程276

9.2.2调度的层次277

9.2.3处理机调度的实现278

9.3存储管理280

9.3.1分区式存储管理280

9.3.2交换技术和分布技术280

9.4虚拟存储器281

9.4.1虚拟存储器的基本概念281

9.4.2页式虚拟存储器283

9.4.3段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器285

9.4.4虚存的替换算法288

9.5存储保护289

9.5.1存储区域保护289

9.5.2访问方式保护291

9.6奔腾系列机的虚存组织291

9.6.1存储器模型292

9.6.2虚地址模式292

9.6.3分页模式下的地址转换293

本章小结294

习题295

第10章 安腾高性能处理机体系结构297

10.1高性能处理机体系结构的演变297

10.1.1 IA体系结构的历史演变297

10.1.2英特尔64位处理机的两种体系结构298

10.2安腾体系结构的基本设计思想299

10.3安腾指令系统结构302

10.3.1执行单元与指令类型302

10.3.2安腾寄存器结构303

10.3.3安腾指令格式304

10.3.4安腾汇编语言格式305

10.4指令级并行机制306

10.4.1推断执行技术307

10.4.2推测技术309

10.5双核安腾处理机的组成312

10.5.1双核安腾处理机的基本特性312

10.5.2双核安腾处理机的组织结构314

本章小结317

习题318

第11章 并行体系结构320

11.1体系结构中的并行性320

11.1.1并行性的概念320

11.1.2提高并行性的技术途径321

11.1.3单处理机系统中并行性的发展321

11.1.4多处理机系统中并行性的发展322

11.1.5并行处理机的体系结构类型323

11.2超长指令字处理机324

11.2.1 VLIW处理机的特点324

11.2.2 VLIW处理机的结构模型325

11.2.3典型处理机结构326

11.3多线程与超线程处理机328

11.3.1指令级并行与线程级并行328

11.3.2同时多线程结构330

11.3.3超线程处理机结构331

11.4向量处理机332

11.4.1向量处理的基本概念332

11.4.2向量处理机的结构335

11.4.3并行向量处理机338

11.5对称多处理机340

11.5.1多处理机系统的分类340

11.5.2 SMP的基本概念341

11.5.3 SMP的结构和实例342

11.5.4多处理机操作系统344

11.5.5多处理机的cache一致性345

11.6机群系统347

11.6.1机群系统的定义和特点347

11.6.2机群系统的体系结构348

11.6.3 IBM SP2系统350

11.6.4超级刀片系统351

本章小结354

习题355

第12章 教学实验设计357

12.1教学实验仪器与测试工具357

12.1.1 TEC-8计算机组成与体系结构实验系统357

12.1.2逻辑测试笔358

12.2 TEC-8实验系统结构和操作359

12.2.1模型计算机时序信号359

12.2.2模型计算机组成359

12.2.3模型计算机指令系统362

12.2.4开关、按钮、指示灯363

12.2.5 E2 PROM中微代码的修改365

12.3运算器组成实验371

12.4双端口存储器实验376

12.5数据通路实验380

12.6微程序控制器实验385

12.7 CPU组成与机器指令执行实验391

12.8中断原理实验395

第13章 课程综合设计399

13.1模型机硬连线控制器设计399

13.2模型机流水微程序控制器设计404

13.3模型机流水硬连线控制器设计407

13.4含有阵列乘法器的ALU设计409

附录A配套光盘与教学设备412

参考文献413