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1.1 系统结构的重要性1

1.2 学习要旨1

1.3 本书的组织1

第1章 引言和纵览1

1.4 省略的内容2

1.5 术语：系统结构和设计2

1.6 小结2

第1部分 数字逻辑与数据表示基础4

第2章 数字逻辑基础4

2.1 引言4

2.2 有关电的术语：电压和电流4

2.3 晶体管4

2.4 逻辑门5

2.6 用晶体管构建门7

2.5 逻辑门的符号表示7

2.7 门和门互连的例子8

2.8 多门集成电路10

2.9 不只需要组合电路10

2.10 能保持状态的电路11

2.11 状态转换图11

2.12 二进制计数器12

2.13 时钟和顺序12

2.14 反馈的重要概念15

2.15 启动的一个动作序列16

2.16 软件重复与硬件副本的比较16

2.17 门和芯片的极小化17

2.18 利用空闲的门17

2.20 定时18

2.19 供电和散热18

2.21 物理尺寸和处理工艺19

2.22 电路板和多层印刷20

2.23 抽象的层次20

2.24 小结21

第3章 数据和程序的表示22

3.1 引言22

3.2 数字逻辑和抽象22

3.3 位和字节22

3.4 字节大小和可能表示的值23

3.5 二进制运算23

3.6 十六进制表示法24

3.7 十六进制常数和二进制常数表示法25

3.8 字符集26

3.10 无符号整数、上溢和下溢27

3.9 Unicode27

3.11 位和字节的编号28

3.12 带符号整数29

3.13 一个补码表示的数的例子29

3.14 符号扩展30

3.15 浮点31

3.16 特殊值32

3.17 IEEE浮点值的范围32

3.18 数据聚集33

3.19 程序的表示33

3.20 小结33

习题34

4.2 冯·诺依曼体系结构36

4.1 引言36

第4章各种处理器和计算引擎36

第2部分 处理器36

4.3 处理器的定义37

4.4 处理器的类别37

4.5 分层结构和计算引擎38

4.6 常规处理器的结构39

4.7 算术逻辑部件（ALU）的定义40

4.8 处理器的类别及作用40

4.9 处理器工艺技术41

4.10 存储程序42

4.11 读取－执行周期42

4.12 时钟速率和指令速率43

4.13 控制：启动和停止43

4.15 小结44

4.14 启动读取－执行周期44

习题45

第5章 处理器类型和指令系统46

5.1 引言46

5.2 数学功能、方便性和代价46

5.3 指令系统及表示47

5.4 操作码、操作数和结果47

5.5 典型的指令格式47

5.6 可变长度指令和固定长度指令48

5.7 通用寄存器48

5.8 浮点寄存器和寄存器标识49

5.9 利用寄存器编程49

5.10 寄存器组50

5.11 复杂指令系统和简化指令系统51

5.12 RISC设计和执行流水线51

5.13 流水线和指令阻塞53

5.14 流水线阻塞的另外一些原因54

5.15 对程序员的影响54

5.16 编程、阻塞及空操作55

5.17 提前传递55

5.18 操作的类型55

5.19 程序计数器、读取－执行及转移56

5.20 子程序调用、变量及寄存器窗口57

5.21 指令系统的一个例子58

5.22 最低限度指令系统60

5.23 正交性原则60

5.24 条件码和条件转移61

5.25 小结61

习题62

6.2 零地址、一地址、二地址及三地址设计63

6.1 引言63

第6章 操作数寻址和指令表示63

6.3 零操作数指令64

6.4 单操作数指令64

6.5 双操作数指令64

6.6 三操作数指令65

6.7 操作数源和立即值65

6.8 冯·诺依曼瓶颈66

6.9 显式和隐式操作数编码66

6.9.1 隐式操作数编码67

6.9.2 显式操作数编码67

6.10 组合多个值的操作数68

6.11 操作数选择的权衡68

6.12 存储器中的数值和间接引用69

6.14 小结70

6.13 操作数寻址方式70

习题71

第7章 CPU：微代码、保护及处理器模式72

7.1 引言72

7.2 中央处理器72

7.3 CPU的复杂性72

7.4 执行模式73

7.5 向后兼容73

7.6 改变模式74

7.7 特权和保护75

7.8 多级保护75

7.9 微代码指令76

7.11 微代码的优点77

7.10 微代码的变体77

7.12 让程序员看到微代码78

7.13 纵向微代码78

7.14 横向微代码79

7.15 例示横向微代码80

7.16 一个横向微代码的例子81

7.17 要求多个周期的操作82

7.18 横向微代码和并行执行82

7.19 高性能执行83

7.20 并行性和执行次序84

7.21 指令的乱序执行84

7.22 条件转移和转移预测84

7.23 对程序员的影响85

7.24 小结85

习题86

8.1 引言87

8.2 高级程序设计语言的特征87

第8章 汇编语言和程序设计范例87

8.3 低级程序设计语言的特征88

8.4 汇编语言88

8.5 汇编语言语法和操作码89

8.5.1 语句格式89

8.5.2 操作码命名89

8.5.3 注释约定90

8.6 操作数的次序90

8.7 寄存器命名91

8.8 操作数类型92

8.9 汇编语言程序设计范式和风格92

8.11 用于可选条件执行的汇编代码93

8.10 用于条件执行的汇编代码93

8.12 用于限定循环的汇编代码94

8.13 用于未限定循环的汇编代码94

8.14 用于过程调用的汇编代码95

8.15 用于参数化过程调用的汇编代码95

8.16 对程序员的影响96

8.17 用于函数调用的汇编代码96

8.18 汇编语言和高级语言之间的交互作用97

8.19 用于变量和存储的汇编代码97

8.20 二次扫描汇编程序98

8.21 汇编语言宏指令99

8.22 小结101

9.2 定义104

9.1 引言104

9.3 存储器的两个关键方面104

第3部分 存储器104

第9章 存储器和存储104

9.4 存储器工艺的特性105

9.4.1 存储器的易失性105

9.4.2 存储器访问范式105

9.4.3 数值的持久性105

9.4.4 主存储器和辅助存储器106

9.5 重要的存储器分级概念106

9.6 指令和数据的储存106

9.7 读写范式107

9.8 小结107

10.2 计算机存储器的特性108

10.3 静态和动态RAM的工艺技术108

10.1 引言108

第10章 物理存储器和物理寻址108

10.4 存储器工艺技术的度量110

10.5 密度110

10.6 读性能和写性能的分离110

10.7 等待时间和存储器控制器110

10.8 同步存储器技术111

10.9 多倍数据速率存储器技术112

10.10 存储器工艺技术的例子112

10.11 存储器组织结构112

10.12 存储器存取和存储器总线113

10.13 存储器的传输容量113

10.14 物理地址和字113

10.15 物理存储器操作114

10.16 字长和其他数据类型114

10.17 一个极端情况：字节寻址114

10.18 以字传输的字节寻址115

10.20 字节对齐和程序设计116

10.19 利用2的幂116

10.21 存储器容量和地址空间117

10.22 用字寻址程序设计117

10.23 存储器容量的量度118

10.24 指针和数据结构118

10.25 存储器转储119

10.26 间接性和间接操作数120

10.27 存储体和交叉存取120

10.28 按内容存取存储器121

10.29 三元CAM122

10.30 小结122

习题123

11.3 一个虚拟的例子：字节寻址124

11.4 虚拟存储器术语124

11.1 引言124

11.2 定义124

第11章 虚拟存储器技术和虚拟寻址124

11.5 对多个物理存储器系统的接口125

11.6 地址转换或地址映射126

11.7 避免算术运算127

11.8 不连续地址空间127

11.9 其他的存储器组织128

11.10 采用虚拟存储器的动机129

11.11 多虚拟空间和多道程序设计129

11.12 多级的虚拟化130

11.13 动态地创建虚拟空间130

11.14 起点－界限寄存器131

11.16 虚存、起点－界限和保护132

11.17 分段132

11.15 改变虚拟空间132

11.18 请求式分页133

11.19 用于请求式分页的硬件和软件133

11.20 页面替换134

11.21 分页的术语和数据结构134

11.22 分页系统中的地址转换135

11.23 利用2的幂136

11.24 存在位、使用位和修改位137

11.25 页表的存储137

11.26 分页效率和快速转换旁视缓冲器138

11.27 对程序员的影响138

11.28 小结139

习题140

12.2 定义141

第12章 高速缓存和高速缓存技术141

12.1 引言141

12.3 高速缓存的特性142

12.4 高速缓存技术的重要性142

12.5 高速缓存技术的例子143

12.6 高速缓存术语143

12.7 高速缓存性能的最好情况和最坏情况144

12.8 对一个典型序列的高速缓存性能145

12.9 高速缓存的替换策略145

12.10 LRU替代策略146

12.11 多级高速缓存结构146

12.12 预装高速缓存147

12.13 存储器使用高速缓存147

12.16 物理存储器高速缓存148

12.15 请求式分页作为一种高速缓存形式148

12.14 TLB作为高速缓存148

12.17 直写和写回149

12.18 高速缓存的相关性149

12.19 L1,L2和L3高速缓存150

12.20 L1,L2和L3高速缓存的大小151

12.21 指令高速缓存和数据高速缓存151

12.22 虚拟存储器高速缓存技术和高速缓存排空152

12.23 存储器高速缓存技术的实现153

12.24 直接映射存储器高速缓存153

12.25 为提高效率而采用2的幂154

12.26 组相联存储器高速缓存155

12.27 对程序员的影响156

12.28 小结156

习题157

13.2 输入和输出设备160

13.3 外部设备的控制160

第4部分 输入和输出160

13.1 引言160

第13章 输入输出概念和术语160

13.4 数据传送161

13.5 串行和并行数据传送162

13.6 自同步数据162

13.7 全双工交互和半双工交互163

13.8 接口的等待时间和吞吐量163

13.9 多路传输的基本思想163

13.10 每个外部接口连接多个设备164

13.11 处理器的I/O视图165

13.12 小结165

14.3 处理器、I/O设备与总线166

14.2 总线的定义166

第14章 总线和总线体系结构166

14.1 引言166

14.4 专有总线和标准化总线167

14.5 共享总线和存取协议167

14.6 多个总线167

14.7 并行、无源机制167

14.8 物理连接168

14.9 总线接口168

14.10 地址线、控制线和数据线169

14.11 读取－存储范式170

14.12 总线上的读取－存储170

14.13 总线的宽度171

14.14 多路传输171

14.16 总线地址空间172

14.15 总线宽度和数据项的大小172

14.17 潜在的错误173

14.18 地址配置和插座174

14.19 多个总线还是一个总线175

14.20 设备所用的读取－存储175

14.21 一个使用读取－存储的设备控制例子175

14.22 接口的操作176

14.23 不对称指派176

14.24 统一的存储器和设备寻址177

14.25 地址空间里的空洞178

14.26 地址映射178

14.27 对总线的程序接口179

14.28 两个总线间的桥接180

14.29 主总线和辅助总线180

14.30 对程序员的影响181

14.31 切换组构网182

14.32 小结183

习题183

第15章 程序控制I/O和中断驱动I/O184

15.1 引言184

15.2 I/O范式184

15.3 程序控制I/O184

15.4 同步185

15.5 轮询185

15.6 用于轮询的代码185

15.7 控制和状态寄存器187

15.8 处理器使用和轮询187

15.10 中断驱动I/O188

15.9 第一代、第二代和第三代计算机188

15.11 硬件中断机制189

15.12 中断和读取－执行周期189

15.13 中断的处理189

15.14 中断向量190

15.15 初始化和中断的允许及禁止191

15.16 防止中断代码被中断191

15.17 多级中断191

15.18 中断向量和优先权的指派192

15.19 动态总线连接和可插入的设备193

15.20 中断的优点193

15.21 灵巧的设备和改进的I/O性能193

15.22 直接存储器存取（DMA）194

15.23 缓冲链接195

15.24 分散读和集中写操作195

15.26 小结196

15.25 操作链接196

习题197

第16章 程序员眼中的设备、I/O和缓冲198

16.1 引言198

16.2 设备驱动器的定义198

16.3 设备无关性、密封和隐藏198

16.4 设备驱动器的概念性部件199

16.5 两种类型的设备200

16.6 一个设备驱动器的操作流程的例子200

16.7 队列的输出操作201

16.8 强制中断202

16.9 队列的输入操作203

16.10 支持双向传送的设备203

16.12 异步性、灵巧设备和互斥204

16.11 异步还是同步编程范式204

16.13 应用程序所见的I/O205

16.14 运行时I/O程序库205

16.15 程序库和操作系统的两分法206

16.16 操作系统支持的I/O操作207

16.17 I/O操作的代价207

16.18 降低系统调用开销208

16.19 缓冲的重要概念208

16.20 缓冲的实现209

16.21 排空缓冲器210

16.22 输入的缓冲211

16.23 缓冲的效能211

16.27 小结212

16.26 一个例子：Unix标准I/O库212

16.25 与高速缓存的关系212

16.24 操作系统中的缓冲212

习题213

第5部分 高级课题216

第17章 并行性216

17.1 引言216

17.2 并行和流水线体系结构216

17.3 并行性的特征216

17.4 微观并行性与宏观并行性217

17.5 微观并行性的例子217

17.6 宏观并行性的例子218

17.7 对称并行性与非对称并行性218

17.11 并行体系结构的类型（弗林分类法）219

17.10 并行体系结构219

17.9 显式的与隐式的并行性219

17.8 细粒并行性与粗粒并行性219

17.12 单指令单数据流（SISD）220

17.13 单指令多数据流（SIMD）220

17.14 多指令多数据流（MIMD）222

17.15 通信、协调和争用224

17.16 多处理器的性能225

17.17 对程序员的影响226

17.17.1 锁和互斥226

17.17.2 显式和隐式并行计算机的编程228

17.17.3 对称多处理器和非对称多处理器的编程228

17.18 冗余并行体系结构228

17.19 分布计算机和群集计算机229

17.20 小结229

习题230

18.2 流水线技术的概念231

18.1 引言231

第18章 流水线技术231

18.3 软件流水线技术233

18.4 19软件流水线的性能和开销233

18.5 19硬件流水线技术234

18.6 19硬件流水线技术怎样提高性能234

18.7 19流水线的使用时机236

18.8 19处理的概念性分割237

18.9 19流水线体系结构237

18.10 19流水线的建立时间、阻塞时间和排空时间238

18.11 19超级流水线体系结构的定义238

18.12 19小结239

习题239

19.2 19能力和性能的测量240

19.1 19引言240

第19章 19性能评估240

19.3 19计算能力的测量241

19.4 19使用专门的指令计数242

19.5 19指令混合比242

19.6 19标准化的基准测试程序243

19.7 I/O和存储器瓶颈243

19.8 19软、硬件之间的分界244

19.9 19选择要优化的项目244

19.10 19艾姆德尔法则和并行系统245

19.11 19小结245

习题245

第20章 19体系结构的层次和例子246

20.1 19引言246

20.2 19体系结构的层次246

20.4 19总线互连和桥接247

20.3 19系统级体系结构：个人计算机247

20.5 19控制器芯片和物理体系结构248

20.6 19虚拟总线249

20.7 19连接速度250

20.8 19桥接功能和虚拟总线251

20.9 电路板级体系结构251

20.10 19芯片级体系结构252

20.11 芯片上功能部件的结构253

20.12 小结254

20.13 计算机系统结构之外的分级254

附录A 计算机系统结构课程实验255

A.1 引言255

A.2 实验所用的数字硬件255

A.3 免焊实验电路板255

A.5 测试256

A.4 免焊实验电路板的使用256

A.6 电源和接地连接257

A.7 实验练习题258

实验1 入门和账号配置259

实验2 数字逻辑：实验电路板的使用260

实验3 数字逻辑：用门电路构建一个加法器262

实验4 数字逻辑：时钟和多路分配264

实验5 表示法：测试大端法与小端法266

实验6 表示法：一个用C编写的十六进制转储程序268

实验7 处理器：学习RISC汇编语言270

实验8 处理器：能被C程序调用的函数272

实验9 存储器：数组的行主序存储和列主序存储273

实验10 输入输出：一个缓冲I/O库275

实验11 用汇编语言编写的十六进制转储程序277

参考书目278