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第1章 计算机组成及其技术概论1

1.1 引言1

1.2 计算机语言与软件系统2

1.3 计算机硬件系统5

1.3.1 鼠标5

1.3.2 图形显示器5

1.3.3 主板及其所安装的硬件6

1.3.4 外存储器8

1.3.5 计算机网络9

1.4 集成电路及其发展9

1.5 制造Pentium芯片的实例11

1.6 计算机发展历史及发展阶段划分11

1.6.1 第一台电子计算机11

1.6.2 计算机的商业发展13

1.6.3 计算机发展阶段及其年代划分14

1.7 本章小结15

习题16

第2章 基本逻辑电路20

2.1 概述20

2.2 门电路、真值表和逻辑等式20

2.2.1 真值表21

2.2.2 逻辑代数21

2.2.3 门电路22

2.3 组合逻辑23

2.3.1 译码器23

2.3.2 编码器24

2.3.3 多路选择器24

2.3.4 可编程逻辑阵列PLA——两级与或逻辑实现24

2.3.5 ROM27

2.3.6 无关项28

2.3.7 逻辑元件阵列30

2.4 时钟31

2.5 存储器与存储元件32

2.5.1 触发器和锁存器32

2.5.2 寄存器文件34

2.5.3 SRAM36

2.5.4 DRAM39

2.5.5 差错的检查和纠正40

2.6 有限状态机42

2.7 定时方法学45

2.7.1 电平触发定时46

2.7.2 异步输入和同步器46

2.8 本章小结48

习题48

第3章 指令系统51

3.1 概述51

3.2 计算机硬件的操作指令51

3.3 计算机硬件的操作数52

3.4 计算机指令格式56

3.5 决策指令59

3.6 计算机硬件对子程序的支持63

3.7 计算机对字符的处理68

3.8 其他类型的MIPS寻址方式70

3.9 程序的运行过程78

3.9.1 编译79

3.9.2 汇编79

3.9.3 链接目标代码80

3.9.4 把程序装入内存中82

3.10 综合程序范例83

3.10.1 子程序swap83

3.10.2 子程序sort84

3.11 数组和指针的比较88

3.12 PowerPC和80x86的指令实例90

3.12.1 IBM/Motorola PowerPC90

3.12.2 Intel 80x8692

3.13 指令集发展历史97

3.13.1 累加器体系结构97

3.13.2 通用寄存器体系结构98

3.13.3 紧凑编码和堆栈体系结构99

3.13.4 高级语言计算机体系结构100

3.13.5 精简指令集计算机体系结构100

3.13.6 80x86的历史简介100

3.14 本章小结101

习题102

第4章 计算机算术110

4.1 概述110

4.2 有符号和无符号数110

4.3 加减法运算117

4.4 逻辑操作120

4.5 构造算术逻辑单元124

4.5.1 1位ALU124

4.5.2 32位ALU127

4.5.3 先行进位132

4.6 乘法136

4.6.1 乘法运算基本原理136

4.6.2 有符号数乘法142

4.7 除法146

4.7.1 第一代除法算法和硬件实现147

4.7.2 第二代除法算法和硬件实现149

4.7.3 第三代除法算法和硬件实现149

4.7.4 有符号数除法151

4.7.5 MIPS除法指令152

4.8 浮点数运算154

4.8.1 浮点数的表示法155

4.8.2 浮点数加法158

4.8.3 浮点数乘法161

4.8.4 MIPS的浮点数指令163

4.9 本章小结166

习题170

第5章 处理器：数据通路和控制器177

5.1 引言177

5.1.1 指令的执行过程177

5.1.2 逻辑约定和时钟178

5.1.3 MIPS指令子集的实现179

5.2 建立数据通路179

5.3 一个简化的实施方案184

5.3.1 建立一个数据通路184

5.3.2 ALU控制单元设计185

5.3.3 设计主控制单元189

5.3.4 指令执行过程分析——数据通路的使用193

5.3.5 设计单时钟周期控制器200

5.3.6 用门电路实现主控制函数203

5.3.7 为什么不使用单周期实现203

5.4 多时钟周期的实现206

5.4.1 多个时钟周期指令的执行过程212

5.4.2 CPU控制器的设计215

5.5 微程序设计：简化控制器设计229

5.5.1 微指令的格式定义229

5.5.2 编写微程序231

5.5.3 实现微程序235

5.5.4 使用序列发生器实现后继状态函数235

5.5.5 微程序的硬件实现239

5.6 异常241

5.6.1 异常的概念241

5.6.2 异常的处理242

5.6.3 控制器对异常的检测244

5.7 本章小结246

习题247

第6章 存储器层次结构251

6.1 引言251

6.2 Cache存储器层次结构253

6.2.1 Cache／主存的读策略255

6.2.2 处理Cache失效257

6.2.3 Cache实例：DECStation 3100258

6.2.4 空间局部性原理的利用260

6.2.5 支持Cache的存储器系统的设计方案263

6.3 评测与改进Cache性能265

6.3.1 Cache对处理器性能影响的定量分析265

6.3.2 Cache／主存映射方式267

6.3.3 定位Cache中的块270

6.3.4 Cache替换策略272

6.3.5 多级Cache272

6.4 虚拟存储器274

6.4.1 地址变换276

6.4.2 缺页中断277

6.4.3 写策略279

6.4.4 加快地址变换：TLB279

6.4.5 MIPS R2000 TLB282

6.4.6 虚拟存储器、TLB、Cache之间的联系283

6.4.7 存储保护284

6.4.8 处理缺页中断和TLB失效285

6.5 存储层次的通用结构287

6.5.1 问题1：如何存放块288

6.5.2 问题2：如何寻找块289

6.5.3 问题3：发生Cache失效时选择哪个块被替换289

6.5.4 问题4：如何处理写操作290

6.5.5 3Cs模型291

6.6 本章小结293

习题294

第7章 处理器和外部设备接口298

7.1 引言298

7.2 I/O系统性能测量300

7.2.1 巨型计算机I/O基准测试程序300

7.2.2 事务处理系统I/O基准测试程序300

7.2.3 文件系统I/O基准测试程序301

7.3 I/O设备类型301

7.3.1 鼠标302

7.3.2 磁盘303

7.3.3 网络305

7.4 总线307

7.4.1 总线分类309

7.4.2 同步总线与异步总线310

7.4.3 增加总线带宽313

7.4.4 取得总线访问权315

7.4.5 总线仲裁316

7.4.6 总线标准318

7.5 I/O设备与系统的接口319

7.5.1 向I/O设备发送命令与接口的主要功能320

7.5.2 I/O设备与处理器数据传输控制方式321

7.6 程序中断输入输出方式327

7.6.1 中断的作用、产生和响应327

7.6.2 中断处理330

7.7 DMA输入输出方式333

7.7.1 DMA三种工作方式333

7.7.2 DMA控制器组成333

7.7.3 DMA的数据传送过程334

7.8 I/O系统设计335

7.9 一个典型的台式机I/O系统337

7.10 本章小结338

习题338

附录：关键术语中英文对照表343

参考文献347