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第1章 计算机系统概述1

1.1计算机的发展简史1

1.1.1第一代计算机——电子管电子计算机2

1.1.2第二代计算机——晶体管电子计算机3

1.1.3第三代计算机——集成电路计算机4

1.1.4第四代计算机——超大规模集成电路计算机6

1.1.5第五代计算机——普适计算机7

1.2计算机的分类7

1.3计算机系统简介13

1.3.1计算机系统的层次结构13

1.3.2软件与硬件的等价性原理15

1.3.3计算机体系结构和计算机组成16

1.4计算机的基本组成16

1.4.1冯·诺伊曼体系和哈佛体系计算机16

1.4.2计算机的硬件框图17

1.5计算机性能的评价18

1.5.1性能评价的时间因素18

1.5.2性能评价程序的选择19

1.6计算机系统设计的准则21

1.7本书结构22

习题23

第2章 运算基础24

2.1数制和数制转换24

2.1.1数制24

2.1.2数制转换25

2.2数据的编码和表示26

2.2.1无符号数26

2.2.2有符号数27

2.2.3浮点数表示30

2.2.4二进制信息编码34

2.3定点数的运算35

2.3.1移位运算35

2.3.2加减法运算37

2.3.3乘法运算39

2.3.4除法运算43

2.4浮点数的运算46

2.4.1浮点数的加减法运算46

2.4.2浮点数的乘除法运算47

2.4.3保证位49

2.5检错码和纠错码49

2.5.1检错和纠错的理论基础49

2.5.2奇偶校验50

2.5.3 CRC校验50

2.5.4海明码51

小结54

习题54

第3章 数字电路和逻辑电路基础56

3.1布尔代数56

3.2逻辑函数的化简57

3.2.1代数化简法57

3.2.2卡诺图化简法57

3.3组合逻辑电路59

3.3.1加法器60

3.3.2译码器62

3.3.3算术逻辑单元63

3.3.4数据选择器65

3.4时序逻辑电路66

3.4.1触发器66

3.4.2寄存器和移位寄存器67

3.4.3计数器69

3.5阵列逻辑电路70

3.5.1只读存储器71

3.5.2随机存取存储器73

3.5.3可编程逻辑器件74

3.6 VHDL硬件描述语言77

3.6.1 VHDL语法77

3.6.2数据类型、运算操作符85

3.6.3 V HDL实例90

3.6.4 VHDL工具介绍93

小结95

习题95

第4章 系统总线96

4.1系统总线概述96

4.1.1总线的分类97

4.1.2总线的特性和性能指标98

4.2总线的通信方式100

4.2.1同步通信方式101

4.2.2异步通信方式102

4.3总线仲裁103

4.3.1集中式仲裁方式103

4.3.2分布式仲裁方式105

4.4总线结构105

4.4.1单总线结构105

4.4.2双独立总线106

4.4.3多总线结构106

4.5常用高速总线标准107

4.5.1 PCI总线107

4.5.2 AGP总线113

4.5.3 PCI Express114

小结118

习题119

第5章 存储器120

5.1概述120

5.1.1存储器分类120

5.1.2存储器的层次结构122

5.2主存储器123

5.2.1主存储器的基本结构123

5.2.2主存的技术指标124

5.2.3半导体存储器接口的基本技术125

5.2.4 DRAM的刷新129

5.2.5多体交叉存储技术130

5.2.6高级DRAM技术131

5.3辅助存储器133

5.3.1辅助存储器的种类与技术指标133

5.3.2硬磁盘存储器135

5.3.3固态硬盘140

5.3.4磁盘阵列存储器141

5.3.5光盘存储器145

5.3.6磁带存储器147

5.4 Cache147

5.4.1 Cache的工作原理148

5.4.2地址映射149

5.4.3替换策略153

5.4.4 Cache写策略154

5.4.5 Cache的性能分析154

5.4.6改进Cache性能的措施155

5.4.7 Cache综合举例156

5.5虚拟存储器157

5.5.1虚拟存储器的基本原理157

5.5.2虚拟存储器的管理162

5.5.3快表TLB162

5.5.4 Pentium处理机的虚拟存储器技术163

小结164

习题164

第6章 输入输出系统165

6.1 I/O概述165

6.1.1 I/O接口的功能及组成165

6.1.2 I/O接口与I/O端口167

6.1.3 I/O端口的编址方式167

6.2程序查询方式168

6.2.1程序查询的基本思想168

6.2.2程序查询方式的工作流程169

6.3程序中断方式170

6.3.1中断的基本概念170

6.3.2中断处理流程171

6.3.3中断向量172

6.3.4中断判优逻辑173

6.3.5中断的嵌套175

6.4 DMA方式175

6.4.1 DMA的工作方式175

6.4.2 DMA接口组成177

6.4.3 DMA的工作过程178

6.5 I/O通道和I/O处理机180

6.5.1 I/O通道的种类和功能180

6.5.2通道型I/O处理机和外围处理机183

6.6 I/O接口标准184

6.6.1 IDE和SATA184

6.6.2 USB和FireW ire186

小结190

习题190

第7章 CPU的结构与功能191

7.1 CPU的功能191

7.2 CPU的结构192

7.2.1 CPU的结构框图192

7.2.2算术逻辑单元和控制器193

7.2.3 CPU的寄存器194

7.3指令周期及其数据通路195

7.3.1 CPU的执行过程195

7.3.2指令周期的基本概念197

7.3.3数据通路及其基本要素198

7.3.4指令子周期的数据通路199

7.4 Pentium处理器201

7.5 Itanium微处理器210

7.6 SPARC处理器211

小结214

习题214

第8章 指令系统215

8.1机器指令215

8.1.1指令的一般书写格式215

8.1.2指令字长217

8.2操作数的类型、大小和存储217

8.2.1操作数类型和大小217

8.2.2数据在存储器中的存放方式218

8.3操作类型219

8.3.1数据传送类219

8.3.2算术运算类219

8.3.3逻辑运算类220

8.3.4控制传送类220

8.3.5输入输出类224

8.3.6系统控制类224

8.4寻址技术224

8.4.1立即数寻址225

8.4.2寄存器寻址225

8.4.3存储器寻址225

8.4.4寄存器和存储器混合寻址226

8.4.5相对寻址227

8.4.6堆栈寻址228

8.5指令集结构的功能设计229

8.5.1复杂指令系统计算机229

8.5.2精简指令系统计算机229

8.5.3 CISC与RISC的比较231

8.6指令系统的举例和设计233

8.6.1一个简单的指令系统Y86的设计233

8.6.2 SPARC的指令系统235

8.6.3 Pentium微处理器的指令系统240

小结247

习题247

第9章 控制器249

9.1控制器概述249

9.1.1控制器的功能249

9.1.2控制器的组成250

9.1.3时序控制信号形成部件250

9.1.4微操作命令分析253

9.1.5控制信号257

9.2硬布线控制器259

9.2.1硬布线控制器概述259

9.2.2硬布线控制器的结构260

9.2.3硬布线控制器的设计步骤261

9.3微程序控制器262

9.3.1微程序控制器概述262

9.3.2微程序控制器的结构框图263

9.3.3微程序控制器的工作原理265

9.3.4微指令的格式266

9.3.5微指令的编码方式267

9.3.6微指令序列地址的形成269

9.3.7微程序控制器举例272

小结277

习题278

第10章 并行计算机系统结构280

10.1计算机系统结构中的并行性概念280

10.1.1概述280

10.1.2并行计算机体系结构的分类280

10.2流水线技术283

10.2.1流水线原理283

10.2.2流水线的性能指标285

10.2.3流水线的相关问题287

10.2.4动态调度288

10.2.5 RISC处理器的流水线举例293

10.3片内并行294

10.3.1超流水线技术294

10.3.2超标量技术295

10.3.3超长指令字技术296

10.4多核处理器技术297

10.4.1同构多核处理器技术298

10.4.2异构多核处理器技术298

10.5共享内存的多处理机300

10.5.1 UMA对称多处理器系统300

10.5.2 NUMA多处理器系统303

10.6消息传递的多处理机305

10.6.1互联网络305

10.6.2大规模并行处理器307

10.6.3集群计算309

10.6.4多计算机的通信软件312

10.6.5网格计算314

小结316

习题317

附录A使用硬布线方法设计CPU318

A.1 CPU设计概述318

A.2模型机中的指令集319

A.3模型机中的数据通路319

A.4控制器320

A.5完整的CPU实现323

附录B常用的计算机组成原理仿真软件325

B.1仿真软件SimpleScalar325

B.2数据通路模拟软件328

B.3指令集流水线模拟330

B.4硬件测试软件phoronix test suite332

B.5 VHDL编写的JAM CPU334

参考文献336