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第1章 引言1

1.1 概述1

1.2 计算机的主要组成部分2

1.3 计算机系统示例3

1.4 国际标准化组织7

1.5 计算机的发展史8

1.5.1 第零代机械计算器8

1.5.2 第一代：真空管计算机9

1.5.3 第二代：晶体管计算机13

1.5.4 第三代：集成电路计算机15

1.5.5 第四代：超大规模集成电路计算机15

1.5.6 摩尔定律17

1.6 计算机的分层组织结构17

1.7 冯·诺伊曼模型19

1.8 非冯·诺伊曼模型21

本章小结21

深入阅读22

参考文献22

基本概念和术语复习23

练习题24

第2章 计算机系统中的数据表示方法25

2.1 概述25

2.2 位置编码系统25

2.3 十进制数和二进制数之间的转换26

2.3.1 无符号整数的转换26

2.3.2 分数转换27

2.4.1 符号幅值表示法29

2.4 带符号整数的表示方法29

2.3.3 以2的指数幂为基数的数制之间的转换29

2.4.2 补码体系32

2.5 浮点表示法36

2.5.1 一个简单的模型36

2.5.2 浮点算法38

2.5.3 浮点误差38

2.5.4 IEEE-745浮点标准40

2.6 字符编码40

2.6.1 二进制编码的十进制数40

2.6.3 ASCII41

2.6.2 EBCDIC41

2.6.4 统一字符编码标准42

2.7 用于数据记录和传递的编码方式44

2.7.1 不归零编码44

2.7.2 反转不归零编码45

2.7.3 相位调制编码45

2.7.4 频率调制编码46

2.7.5 运行长度限制编码46

2.8.1 循环冗余码校验47

2.8 错误检测与校正47

2.8.2 海明编码49

2.8.3 里德-所罗门编码53

本章小结54

深入阅读54

参考文献55

基本概念和术语复习55

练习题56

3.1 概述61

3.2 布尔代数61

第3章 布尔代数和数字逻辑61

3.2.1 布尔表达式62

3.2.2 布尔恒等式63

3.2.3 布尔表达式的化简63

3.2.4 反码64

3.2.5 布尔函数的表示方法65

3.3 逻辑门66

3.3.1 逻辑门的表示符号66

3.3.3 多输入的门电路67

3.3.2 通用门电路67

3.4 数字电路元件68

3.4.1 数字电路及其与布尔代数的相互关系68

3.4.2 集成电路69

3.5 组合逻辑电路69

3.5.1 基本概念69

3.5.2 典型的组合逻辑电路69

3.6 时序电路74

3.6.1 基本概念74

3.6.2 时钟信号75

3.6.3 触发器75

3.6.4 典型的时序逻辑电路77

本章小结79

3.7 电路设计79

深入阅读80

参考文献80

基本概念和术语复习81

练习题81

3A.1 概述87

3A.2 卡诺图的描述和基本术语87

卡诺图专题87

3A.3 利用卡诺图化简二变量函数88

3A.4 利用卡诺图化简三变量函数89

3A.5 利用卡诺图化简四变量函数91

3A.6 无关条件93

3A.7 小结94

练习题94

第4章 MARIE：简单计算机模型96

4.1 概述96

4.1.1 CPU的基本知识和组成原理96

4.1.2 总线97

4.1.3 时钟100

4.1.4 输入／输出子系统101

4.1.5 存储器组成和寻址方式102

4.1.6 中断104

4.2 MARIE104

4.2.1 体系结构104

4.2.2 寄存器和总线105

4.2.3 指令系统体系结构106

4.2.4 寄存器传输表示法109

4.3.2 中断和输入／输出111

4.3 指令的执行过程111

4.3.1 取指-译码-执行周期111

4.4 一个简单的程序113

4.5 有关编译程序的讨论114

4.5.1 编译程序的功能115

4.5.2 为什么使用汇编语言116

4.6 MARIE指令集的扩充117

4.7 有关译码的讨论：硬件译码和微程序控制译码120

4.8 实际的计算机体系结构122

4.8.1 Intel体系结构123

4.8.2 MIPS体系结构126

本章小结127

深入阅读128

参考文献129

基本概念和术语复习130

练习题131

5.2 指令格式135

5.2.1 指令系统的设计135

5.1 概述135

第5章 指令系统体系结构概览135

5.2.2 小端和大端的位序问题136

5.2.3 CPU的内部存储机制：堆栈和寄存器138

5.2.4 操作数的数目和指令的长度138

5.2.5 扩展操作码141

5.3 指令类型142

5.4 寻址143

5.4.1 数据类型143

5.4.2 寻址方式144

5.5 指令流水线146

5.6.1 Intel体系结构149

5.6 ISA体系结构的真实案例149

5.6.2 MIPS体系结构150

5.6.3 Java虚拟机151

本章小结154

深入阅读154

参考文献155

基本概念和术语复习156

练习题156

6.2 存储器的类型160

6.1 概述160

第6章 存储器160

6.3 存储器的层次结构161

6.4 高速缓存存储器163

6.4.1 高速缓存的映射模式165

6.4.2 置换策略170

6.4.3 有效存取时间和命中几率171

6.4.4 何时高速缓存的方法会失效171

6.4.5 高速缓存的写策略172

6.5 虚拟存储器172

6.5.1 分页173

6.5.2 使用分页的有效存取时间177

6.5.3 综合举例：同时使用高速缓存、TLB和分页179

6.5.4 分页和虚拟存储器的优缺点180

6.5.5 分段181

6.5.6 分页和分段的组合方式181

6.6 存储器管理实例182

本章小结183

深入阅读183

基本概念和术语复习184

参考文献184

练习题185

第7章 输入／输出和存储系统189

7.1 概述189

7.2 AMDAHL定律189

7.3 输入／输出体系结构190

7.3.1 I/O的控制方法191

7.3.2 I/O总线操作194

7.3.3 深入讨论中断控制的I/O196

7.4 磁盘技术198

7.4.1 硬盘驱动器199

7.4.2 软盘201

7.5 光盘202

7.5.1 CD-ROM203

7.5.2 DVD205

7.5.3 光盘记录方法205

7.6 磁带206

7.7 独立磁盘冗余阵列208

7.7.2 RAID Level 1209

7.7.1 RAID Level 0209

7.7.3 RAID Level 2210

7.7.4 RAID Level 3210

7.7.5 RAID Level 4211

7.7.6 RAID Level 5212

7.7.7 RAID Level 6212

7.7.8 混合RAID系统213

7.8 数据压缩214

7.8.1 统计编码215

7.8.2 Ziv-Lempel（LZ）字典系统221

7.8.3 GIF和PNG压缩223

7.8.4 JPEG压缩224

本章小结228

深入阅读228

参考文献229

基本概念和术语复习229

练习题230

选择磁盘存储器的实现专题234

7A.1 概述234

7A.2 数据传输模式234

7A.3 SCSI235

7A.4 存储器的区域网络244

7A.5 其他的I/O连接245

7A.6 小结247

练习题248

第8章 系统软件249

8.1 概述249

8.2 操作系统249

8.2.1 操作系统的发展史250

8.2.2 操作系统设计254

8.2.3 操作系统服务255

8.3.1 虚拟机258

8.3 保护环境258

8.3.2 子系统和分区260

8.3.3 保护环境和计算机系统体系结构的发展进程261

8.4 编程工具263

8.4.1 汇编程序和汇编263

8.4.2 链接编辑器265

8.4.3 动态链接库265

8.4.4 编译器266

8.5 Java：一种综合语言269

8.4.5 解释器269

8.6 数据库软件274

8.7 事务管理器278

本章小结279

深入阅读280

参考文献281

基本概念和术语复习281

练习题282

9.1 概述284

第9章 可选择的体系结构284

9.2 RISC计算机285

9.3 FLYNN分类方法288

9.4 并行和多处理器体系结构290

9.4.1 超标量和VLIW体系结构291

9.4.2 矢量处理器293

9.4.3 互连网络293

9.4.4 共享存储器的多处理器296

9.4.5 分布式计算298

9.5.1 数据流计算299

9.5 新的并行处理方法299

9.5.2 神经网络301

9.5.3 脉动阵列303

本章小结304

深入阅读304

参考文献304

基本概念和术语复习306

练习题307

10.2 基本的计算机性能方程式310

10.1 概述310

第10章 性能度量和分析310

10.3 数学预备知识311

10.3.1 平均数的意义311

10.3.2 统计学和语义学315

10.4 基准316

10.4.1 时钟速率、MIPS和FLOPS316

10.4.2 综合基准：Whetstone、Linpack和Dhrystone318

10.4.3 标准性能评估公司基准319

10.4.4 事务性能委员会基准322

10.4.5 系统仿真325

10.5 CPU性能优化326

10.5.1 分支优化326

10.5.2 使用好的算法和简单的代码328

10.6 磁盘性能331

10.6.1 性能问题331

10.6.2 物理性能332

10.6.3 逻辑性能332

本章小结335

深入阅读336

参考文献337

基本概念和术语复习338

练习题338

第11章 网络组织和体系结构341

11.1 概述341

11.2 早期的商业计算机网络341

11.3 早期的学术和科学网络：因特网的起源和体系结构342

11.4 网络协议1:ISO/OSI协议344

11.4.1 一个比喻344

11.4.2 OSI参考模型345

11.5 网络协议2:TCP/IP网络结构348

11.5.1 IPv4网际协议层348

11.5.2 IPv4遇到的困难350

11.5.3 TCP354

11.5.4 TCP的工作原理354

11.5.5 IPv6357

11.6 网络组织结构360

11.6.1 物理传输介质360

11.6.3 转发器364

11.6.2 网络接口卡364

11.6.4 集线器365

11.6.5 交换机365

11.6.6 网桥和网关366

11.6.7 路由器和路由367

11.7 高容量数字链路373

11.7.1 数字分层体系373

11.7.2 ISDN376

11.7.3 异步传输模式378

11.8.1 走进因特网380

11.8 因特网的概况380

11.8.2 遨游因特网385

本章小结385

深入阅读386

参考文献387

基本概念和术语复习387

练习题388

附录A 数据结构和计算机391

术语表405

部分练习题答案和提示433