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第1章 引言1

1.1 计算机及其发展1

1.1.1 计算机发展史1

1.1.2 计算机的分类3

1.1.3 计算机的应用领域5

1.2 冯·诺依曼计算机及系统组成6

1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点6

1.2.2 计算机的硬件系统7

1.2.3 计算机的软件系统8

1.2.4 计算机硬件与软件的关系9

1.3 计算机系统的基本概念10

1.3.1 计算机系统中的层次概念10

1.3.2 计算机体系结构12

1.3.3 存储程序计算机体系结构及其发展13

1.3.4 计算机实现技术及其发展15

1.3.5 计算机技术的挑战和体系结构的生命周期20

1.4 计算机性能评价指标22

1.4.1 机器字长22

1.4.2 存储容量23

1.4.3 运算速度23

1.4.4 兼容性23

1.5 课后习题23

课后习题答案24

第2章 计算机中的数据信息27

2.1 进位记数制27

2.2 数值转换30

2.2.1 多项式替代法30

2.2.2 基数乘除法30

2.2.3 混合法32

2.2.4 数制转换中小数位数的确定32

2.3 计算机中数值数据的表示33

2.3.1 真值与机器码33

2.3.2 原码表示34

2.3.3 反码表示35

2.3.4 补码表示36

2.3.5 移码表示37

2.3.6 原码、反码和补码之间的转换38

2.4 二-十进制编码39

2.4.1 8421码39

2.4.2 余3码39

2.4.3 2421码40

2.5 计算机中非数值数据的表示40

2.5.1 ASCII码40

2.5.2 Unicode码44

2.5.3 汉字国标码GB 2312—8046

2.5.4 汉字点阵显示47

2.5.5 校验码49

2.6 高级数据表示51

2.6.1 自定义数据表示51

2.6.2 向量数组数据表示52

2.6.3 堆栈数据表示53

2.6.4 引入数据表示的原则53

2.7 课后习题58

课后习题答案58

第3章 数字逻辑基础60

3.1 数字信号基础60

3.1.1 电源电压60

3.1.2 逻辑电平60

3.1.3 噪声容限61

3.1.4 直流电压传输特性61

3.1.5 静态约束62

3.2 半导体基础63

3.2.1 半导体63

3.2.2 二极管64

3.2.3 电容64

3.2.4 MOS晶体管64

3.3 布尔表达式67

3.3.1 术语67

3.3.2 与或式67

3.3.3 或与式68

3.4 布尔代数69

3.4.1 公理69

3.4.2 单变量定理69

3.4.3 多变量定理71

3.4.4 定理的统一证明方法72

3.4.5 等式化简72

3.5 卡诺图化简法73

3.5.1 卡诺图的构成73

3.5.2 布尔函数在卡诺图上的表示74

3.5.3 卡诺图的性质75

3.5.4 卡诺图化简的基本步骤75

3.6 列表化简法77

3.6.1 用列表法确定布尔函数的所有质蕴涵项77

3.6.2 用质蕴涵表确定必要质蕴涵78

3.6.3 求函数的最小覆盖79

3.7 逻辑门电路基础82

3.7.1 与门82

3.7.2 或门83

3.7.3 非门85

3.7.4 与非门86

3.7.5 或非门87

3.7.6 与或非门88

3.8 组合逻辑网络的分析设计与举例88

3.8.1 组合网络的分析88

3.8.2 组合网络的设计89

3.8.3 二进制运算电路的逻辑设计91

3.8.4 十进制逻辑电路的设计94

3.9 触发器97

3.9.1 RS触发器97

3.9.2 JK触发器99

3.9.3 D触发器100

3.9.4 T触发器102

3.10 同步时序电路的分析及设计举例103

3.10.1 概述103

3.10.2 状态约束104

3.10.3 系统时序104

3.10.4 时钟偏移106

3.10.5 亚稳态108

3.10.6 同步器109

3.10.7 同步时序电路的设计举例110

3.11 异步时序电路的分析及设计举例114

3.11.1 概述114

3.11.2 异步时序流程表的建立与简化117

3.11.3 流程表的状态分配119

3.11.4 异步时序电路的设计举例122

3.12 课后习题128

课后习题答案131

第4章 运算方法与运算器136

4.1 数的定点与浮点表示136

4.1.1 定点表示136

4.1.2 浮点表示137

4.2 定点加减法运算141

4.2.1 补码加法运算141

4.2.2 补码减法运算143

4.2.3 溢出及其检测方法144

4.3 定点乘法运算145

4.3.1 原码一位乘法145

4.3.2 原码两位乘法146

4.3.3 补码一位乘法148

4.3.4 补码两位乘法149

4.3.5 阵列乘法器150

4.4 定点数除法运算153

4.4.1 原码和补码除法中的加减交替法153

4.4.2 原码两位除法156

4.4.3 阵列除法器158

4.5 浮点算术运算160

4.5.1 浮点加法和减法160

4.5.2 浮点乘法运算162

4.5.3 浮点除法运算162

4.6 运算器电路162

4.6.1 加法器162

4.6.2 减法器165

4.6.3 比较器166

4.6.4 算术逻辑单元166

4.6.5 移位器和循环移位器168

4.7 74LS181运算器169

4.7.1 74LS181算术逻辑单元的工作原理169

4.7.2 74LS181功能测试171

4.8 课后习题172

课后习题答案172

第5章 指令与指令系统174

5.1 指令系统的发展174

5.2 指令系统175

5.2.1 指令系统的介绍175

5.2.2 指令的分类175

5.3 指令格式176

5.3.1 零地址指令176

5.3.2 单指令地址177

5.3.3 双地址指令177

5.3.4 三地址指令177

5.3.5 多地址指令177

5.4 寻址方式178

5.4.1 立即数寻址178

5.4.2 寄存器寻址178

5.4.3 直接寻址179

5.4.4 间接寻址179

5.4.5 变址寻址180

5.4.6 相对寻址181

5.5 复杂指令系统和精简指令系统182

5.5.1 复杂指令系统182

5.5.2 精简指令系统182

5.6 指令集结构的功能设计183

5.6.1 CISC指令集结构的功能设计183

5.6.2 RISC指令集结构的功能设计185

5.6.3 控制指令功能设计186

5.7 操作数的类型、表示和大小189

5.7.1 操作数的类型189

5.7.2 操作数的表示和大小189

5.8 指令集格式的设计190

5.8.1 寻址方式的表示方法191

5.8.2 指令集格式的选择191

5.8.3 操作码的优化设计192

5.8.4 地址码的优化设计193

5.9 处理器的指令周期194

5.9.1 指令周期194

5.9.2 非访内指令的指令周期195

5.9.3 访内指令的指令周期197

5.9.4 间接访问主存储器指令的指令周期198

5.9.5 程序控制指令的指令周期199

5.9.6 用框图语言表示指令周期202

5.10 ARM指令集结构203

5.10.1 DLX中的寄存器203

5.10.2 ARM的模式204

5.10.3 ARM的指令格式204

5.10.4 ARM的加载存储206

5.10.5 数据处理指令207

5.10.6 分支和跳转操作208

5.10.7 ARM支持协处理器操作209

5.10.8 ARM杂项指令209

5.10.9 ARM的伪指令210

5.10.10 RISC体系结构与ARM的性能优势210

5.10.11 RISC体系结构的优势211

5.10.12 体系结构的性能优势211

5.11 RISC指令并行处理212

5.11.1 指令级并行概念212

5.11.2 实现指令集并行处理的技术213

5.12 课后习题214

课后习题答案215

第6章 控制器及性能提高219

6.1 控制器的构成219

6.1.1 中央处理器的功能与组成219

6.1.2 控制器的功能及结构框图223

6.1.3 控制方式及时序部件226

6.1.4 中断系统231

6.2 微操作命令分析233

6.2.1 取指周期233

6.2.2 间访周期233

6.2.3 执行周期233

6.2.4 中断周期235

6.3 指令的执行过程236

6.3.1 顺序控制236

6.3.2 超前控制237

6.3.3 流水线控制238

6.4 流水线技术239

6.4.1 流水线的基本概念239

6.4.2 流水线的分类241

6.4.3 流水线中的相关243

6.5 RISC处理器的指令流水线260

6.5.1 ARM7流水线技术261

6.5.2 ARM9流水线技术261

6.5.3 ARM11流水线技术262

6.6 流水线性能分析263

6.6.1 线性流水线的性能分析263

6.6.2 线性流水线的性能分析举例268

6.6.3 非线性流水线的调度技术简介269

6.7 超标量体系结构271

6.7.1 简单超标量272

6.7.2 多发送超标量273

6.7.3 超标量性能274

6.8 分支预测275

6.8.1 分支预测的必要性275

6.8.2 单T位预测器276

6.8.3 双位预测器278

6.8.4 计数器、移位器和预测器279

6.8.5 局部分支预测器280

6.8.6 全局分支预测器282

6.8.7 G选择预测器284

6.8.8 G共享预测器285

6.8.9 混合预测器286

6.8.10 分支目标缓冲287

6.9 微程序控制器289

6.9.1 微程序控制原理289

6.9.2 微程序设计技术289

6.10 硬布线控制器293

6.10.1 基本思想293

6.10.2 硬布线控制逻辑设计中的若干问题294

6.10.3 硬布线控制器和微程序控制器的比较295

6.11 课后习题296

课后习题答案297

第7章 存储系统300

7.1 存储系统的层次结构300

7.2 主存储器301

7.2.1 主存储器的分类301

7.2.2 读写存储器303

7.2.3 非易失性半导体存储器307

7.3 主存储器组成309

7.3.1 位扩展309

7.3.2 字扩展310

7.3.3 字位扩展311

7.4 相联存储器312

7.5 高速缓冲存储器314

7.5.1 高速缓冲存储器概述314

7.5.2 映像规则319

7.5.3 查找方法321

7.5.4 替换算法322

7.5.5 写策略323

7.5.6 高速缓冲寄存器的结构325

7.5.7 高速缓冲存储器的性能分析327

7.5.8 高速缓冲存储器的性能改进331

7.6 降低cache失效率的方法331

7.6.1 增加cache块大小334

7.6.2 提高相联度336

7.6.3 Victim cache337

7.6.4 伪相联cache338

7.6.5 硬件预取技术339

7.6.6 由编译器控制的预取340

7.6.7 编译器优化342

7.7 减少cache失效开销346

7.7.1 让读失效优先于写346

7.7.2 子块放置技术346

7.7.3 请求字处理技术347

7.7.4 非阻塞cache技术348

7.7.5 采用两级cache349

7.8 减少命中时间352

7.8.1 容量小、结构简单的cache352

7.8.2 虚拟cache353

7.8.3 写操作流水化355

7.8.4 cache优化技术总结355

7.9 外部存储设备356

7.9.1 磁盘设备356

7.9.2 Flash存储器360

7.9.3 磁带设备361

7.9.4 光盘设备362

7.10 廉价磁盘冗余阵列363

7.10.1 RAID0364

7.10.2 RAID1366

7.10.3 RAID2367

7.10.4 RAID3368

7.10.5 RAID4369

7.10.6 RAID5370

7.10.7 RAID6371

7.10.8 RAID7371

7.10.9 RAID的实现与发展372

7.11 虚拟存储器373

7.11.1 虚拟存储器基本原理373

7.11.2 页式虚拟存储器374

7.11.3 段式虚拟存储器377

7.11.4 快表378

7.12 进程保护和虚存实例381

7.12.1 进程保护382

7.12.2 ARM的段页式存储结构383

7.13 课后习题386

课后习题答案387

第8章 输入／输出系统与总线391

8.1 引言391

8.1.1 I/O设备的编址与I/O接口的基本功能391

8.1.2 I/O设备数据传送方式393

8.1.3 I/O系统性能与CPU的性能394

8.1.4 I/O系统的可靠性395

8.2 可靠性、可用性和可信性396

8.3 总线系统397

8.3.1 普林斯顿体系与哈佛体系397

8.3.2 总线分类399

8.3.3 总线操作400

8.3.4 常用的系统总线406

8.4 I/O系统性能分析422

8.4.1 I/O性能与系统响应时间422

8.4.2 Little定律425

8.4.3 M/M/1排队系统425

8.4.4 M/M/m排队系统427

8.5 I/O与操作系统429

8.5.1 DMA和虚拟存储器429

8.5.2 I/O和cache数据一致性430

8.5.3 异步I/O431

8.5.4 块服务器和文件服务器432

8.6 小结432

附录A 嵌入式计算机上的无线技术433

8.7 课后习题442

课后习题答案444

第9章 并行处理机与多处理机449

9.1 引言449

9.1.1 并行性449

9.1.2 并行计算机体系结构的分类450

9.1.3 SISD向MIMD的演变450

9.1.4 并行处理面临的挑战452

9.2 并行处理机结构与特点454

9.2.1 并行处理机的典型结构454

9.2.2 并行处理机的特点455

9.3 并行计算机基本结构456

9.3.1 Illiac Ⅳ计算机456

9.3.2 Burroughs BSP计算机461

9.3.3 CM-2计算机465

9.4 互连网络的基本概念468

9.4.1 互连网络在计算机系统中的作用468

9.4.2 主要特性和性能参数469

9.4.3 互连函数471

9.4.4 互连网络的种类475

9.5 互连网络476

9.5.1 互连网络的性能参数477

9.5.2 静态连接网络479

9.5.3 动态连接网络483

9.6 多处理机系统结构与特点487

9.6.1 基本结构487

9.6.2 多处理机系统特点488

9.7 多处理机cache一致性问题490

9.7.1 多处理机cache一致性490

9.7.2 实现一致性的基本方案491

9.7.3 监听协议及其实现493

9.7.4 分布式共享存储器体系结构494

9.7.5 基于目录的cache一致性495

9.7.6 目录协议及其实现496

9.8 同步498

9.8.1 基本硬件原语498

9.8.2 用一致性实现锁499

9.8.3 同步性能问题501

9.8.4 大规模机器的同步503

9.9 同时多线程506

9.9.1 将线程级并行转换为指令级并行507

9.9.2 同时多线程处理器的设计508

9.9.3 同时多线程的性能509

9.10 先进的并行处理与多处理机介绍511

9.10.1 网格计算机511

9.10.2 云计算513

9.10.3 集群机516

9.11 小结517

9.12 课后习题518

课后习题答案519

第10章 虚拟化技术原理523

10.1 概述523

10.1.1 虚拟化523

10.1.2 虚拟机523

10.1.3 全虚拟化和单虚拟化524

10.1.4 硬件虚拟化概况524

10.2 处理器虚拟化原理精要526

10.2.1 体系结构背景526

10.2.2 经典的虚拟化方法527

10.2.3 x86 ISA分析527

10.2.4 x86虚拟化方法528

10.2.5 其他体系结构分析531

10.2.6 其他体系所采用的虚拟化方法531

10.3 内存虚拟化原理精要531

10.3.1 概述531

10.3.2 页表虚拟化基本思想532

10.3.3 页表虚拟化实现533

10.4 I/O虚拟化原理精要534

10.4.1 全虚拟化534

10.4.2 半虚拟化534

10.4.3 软件模拟536

10.5 VMM结构537

10.5.1 概述537

10.5.2 宿主模型537

10.5.3 Hypervisor模型538

10.5.4 混合模型538

10.6 课后习题539

课后习题答案539