计算机系统结构与组成PDF电子书下载

第1章 计算机系统结构与组成的基本概念 1

1.1 计算机层次结构 1

1.1.1 计算机的结构及特点 1

1.1.2 计算机的基本组成 2

1.1.3 计算机的层次结构 6

1.2 计算机系统结构和计算机的组成与实现 7

1.2.1 计算机系统结构的定义 7

1.2.2 计算机的组成和实现 8

1.2.3 计算机实现技术的发展 9

1.2.4 计算机系统结构和计算机组成 10

1.3 计算机的性能评测和量化分析 11

1.3.1 计算机性能的主要技术指标和评测的基本原则 11

1.3.2 计算机性能评测的基本技术和方法 12

1.4 计算机的成本和价格 14

1.5 计算机设计者的主要任务 16

1.6 计算机系统的发展及应用 17

1.6.1 计算机的发展史 17

1.6.2 计算机的分类 18

1.6.3 计算机的应用 21

习题 23

第2章 指令系统设计 25

2.1 计算机中的数据表示 25

2.1.1 定点数的数据表示 25

2.1.2 浮点数的数据表示 27

2.1.3 字符和字符串数据的表示 28

2.1.4 堆栈数据的表示 29

2.1.5 向量的表示 31

2.2 计算机的指令格式 32

2.2.1 计算机指令的格式 33

2.2.2 计算机指令系统的分类 36

2.2.3 计算机指令集中指令的类型 38

2.3 计算机的寻址方式 40

2.3.1 计算机寻址技术概述 40

2.3.2 基本寻址方式 40

2.3.3 复合寻址方式 44

2.3.4 寻址方式举例 44

2.4 计算机指令集格式的设计 45

2.5 计算机指令系统设计 45

2.5.1 设计概述 46

2.5.2 复杂指令集计算机 47

2.5.3 精简指令集计算机 48

2.5.4 RISC和CISC的比较 49

2.6 编译技术与计算机体系结构设计 50

2.6.1 现代编译器的结构和相关技术 50

2.6.2 现代编译器技术对体系结构设计的影响 52

习题 53

第3章 CPU及其实现 54

3.1 运算方法与运算器 54

3.1.1 数据及其表示方法 54

3.1.2 逻辑运算以及常用算术微操作 59

3.1.3 定点加（减）法运算 63

3.1.4 定点乘法运算 66

3.1.5 定点除法运算 71

3.1.6 浮点运算 74

3.1.7 运算器组织 78

3.2 控制器及其实现 79

3.2.1 控制器的基本设计技术 80

3.2.2 组合逻辑控制器设计及实现 89

3.2.3 微程序控制器设计及逻辑实现 91

3.3 CPU的结构和功能 101

3.3.1 CPU的结构 102

3.3.2 CPU中的寄存器 102

3.3.3 CPU的功能 103

3.4 流水线处理器 103

3.4.1 流水线技术概述 103

3.4.2 流水线的性能分析 106

3.4.3 流水线的相关 111

3.5 向量处理机 114

习题 115

第4章 存储系统 118

4.1 存储系统概述 118

4.1.1 存储器的分类 118

4.1.2 存储器的层次结构 120

4.2 高速缓存Cache 123

4.2.1 Cache概述 123

4.2.2 关于Cache的若干问题 126

4.2.3 Cache性能的量化分析 129

4.2.4 基于Cache的优化技术 130

4.3 主存储器技术 131

4.3.1 主存储器概述 131

4.3.2 主存储器组织原理 133

4.3.3 主存设计实例 138

4.4 虚拟存储器技术以及存储保护 141

4.4.1 虚拟存储器技术 141

4.4.2 存储保护 143

4.5 存储层次结构的设计 145

习题 145

第5章 向量处理机 147

5.1 向量数据表示方式 147

5.1.1 从标量到向量 147

5.1.2 常见的向量表示 148

5.2 向量处理机的结构 150

5.2.1 存储器-存储器结构 151

5.2.2 寄存器-寄存器结构 152

5.3 向量处理方式 153

5.3.1 横向处理方式 153

5.3.2 纵向处理方式 154

5.3.3 纵横处理方式 154

5.4 向量处理机实例 155

5.4.1 典型的向量处理机 155

5.4.2 Cray Y-MP 816向量处理机 156

5.4.3 向量协处理器 157

5.5 向量处理机的性能评价 157

5.6 向量处理机的发展 159

习题 160

第6章 互联网络 161

6.1 互联网络的基本概念 161

6.1.1 互联网络的作用 161

6.1.2 互联网络的特性 162

6.1.3 互联网络的传输性能参数 162

6.1.4 互联网络的表示方法 163

6.1.5 互联函数 164

6.2 互联网络的种类 167

6.2.1 静态互联网络 167

6.2.2 多级互联网络 170

6.2.3 交叉开关网络 173

6.2.4 基于公共介质的互联网络 174

6.3 消息传递机制 175

6.3.1 消息寻径方式 175

6.3.2 死锁与虚拟通道 177

6.3.3 选播与广播寻径算法 178

习题 179

第7章 并行处理机 180

7.1 并行处理机的概念 180

7.2 并行处理机的基本结构 182

7.2.1 分布存储器并行处理机 182

7.2.2 共享存储器并行处理机 183

7.2.3 并行处理机的特点 183

7.3 并行处理机实例 184

7.3.1 Illiac Ⅳ并行处理机 184

7.3.2 BSP处理机 187

7.4 并行处理机算法举例 189

7.4.1 连续模型及差分计算 190

7.4.2 矩阵乘 191

7.4.3 求累加和 193

习题 194

第8章 多处理机 196

8.1 多处理机结构 196

8.1.1 松散耦合多处理机 196

8.1.2 紧密耦合多处理机 197

8.2 多处理机系统的特点 198

8.3 多处理机的Cache一致性 199

8.3.1 问题由来 199

8.3.2 监听高速缓存一致性协议 201

8.3.3 基于目录的协议 204

8.4 大规模并行处理机（MPP） 206

8.4.1 概述 206

8.4.2 MPP的公共结构 206

8.4.3 实例分析：CrayT3E的体系结构 207

8.5 对称多处理机（SMP） 208

8.5.1 概述 208

8.5.2 S2MP结构 209

8.5.3 SGI Origin 2000系列服务器 209

8.6 机群系统（Cluster） 212

8.6.1 机群系统的组成 212

8.6.2 机群系统的关键技术 213

8.6.3 IBM SP2系统 214

习题 216

第9章 输入／输出系统及总线 217

9.1 输入／输出系统概述 217

9.1.1 输入／输出原理 217

9.1.2 输入／输出系统的特点 218

9.1.3 输入／输出系统的组织方式 219

9.1.4 基本输入／输出方式 219

9.2 中断系统 221

9.2.1 中断的提出 222

9.2.2 中断源的组织 222

9.2.3 中断系统的处理过程 224

9.2.4 中断源的识别方法 225

9.2.5 中断现场的保存和恢复 227

9.2.6 中断屏蔽 227

9.3 直接存储器存取（DMA）方式 228

9.3.1 DMA方式的提出 228

9.3.2 DMA控制器的功能和DMA传送的原理 229

9.3.3 DMA控制器的工作特点 231

9.4 通道处理机 232

9.4.1 通道的作用和功能 232

9.4.2 通道的工作过程 232

9.4.3 通道的种类 235

9.4.4 通道中的数据传送过程 236

9.4.5 通道流量分析 237

9.5 输入／输出处理机 239

9.5.1 输入／输出处理机的作用 239

9.5.2 输入／输出处理机的种类 240

9.5.3 输入／输出处理机实例 240

9.6 总线 241

9.6.1 总线的概念 241

9.6.2 总线的连接方式 241

9.6.3 总线的标准 242

9.6.4 几种常用的总线结构 242

习题 246

第10章 外围设备 247

10.1 外围设备概述 247

10.1.1 外围设备的一般功能 247

10.1.2 外围设备的分类 248

10.1.3 外围设备的发展趋势 248

10.2 输入设备 249

10.2.1 信息处理编码 249

10.2.2 输入设备的功能 252

10.2.3 键盘输入的工作原理 253

10.2.4 扫描仪的基本工作原理 254

10.2.5 汉字识别与手写输入 256

10.3 显示设备 257

10.3.1 显示设备的分类与一般概念 257

10.3.2 字符显示器的工作原理 258

10.3.3 图形图像显示器 262

10.4 打印设备 264

10.4.1 打印设备的分类 264

10.4.2 点阵针式打印机 264

10.4.3 激光印字机 266

10.5 硬磁盘存储设备 267

10.5.1 磁记录原理与记录方式 267

10.5.2 硬磁盘机的基本组成和分类 270

10.5.3 硬磁盘驱动器和控制器 270

10.5.4 磁盘上信息的分布 272

10.6 光盘存储设备 272

10.6.1 光盘的分类 272

10.6.2 CD-ROM光盘的基本工作原理 273

10.6.3 CD-ROM驱动器的主要性能 274

习题 274

第11章 计算机系统结构的发展 275

11.1 基于数据驱动的数据流机 275

11.1.1 数据驱动原理 275

11.1.2 数据流计算机模型 279

11.1.3 数据流程序图和数据流语言 282

11.2 基于面向函数程序设计的归约机 289

11.2.1 函数式程序设计语言 289

11.2.2 面向函数程序设计的归约机 291

11.3 基于面向对象程序设计的计算机 295

11.3.1 面向对象的程序设计 295

11.3.2 基于面向对象程序设计的计算机结构 296

11.4 基于面向智能信息处理的智能机 298

11.4.1 智能信息处理与智能机 298

11.4.2 智能机的结构及所用的机器语言 300

习题 304