计算机组成与体系结构PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 计算机的发展史 1

1.1.1 发展经历 1

1.1.2 摩尔定律 2

1.2 计算机的基本组成 4

1.2.1 硬件系统 4

1.2.2 软件系统 8

1.3 计算机系统的组织结构 8

1.3.1 计算机系统的层次结构 9

1.3.2 计算机系统结构、组成与实现 10

1.4 计算机的分类及性能描述 11

1.4.1 计算机的分类 11

1.4.2 计算机的性能描述 14

习题 20

第2章 计算机系统中的数据表示 21

2.1 数据表示 21

2.2 数据编码 22

2.2.1 数值数据的编码 22

2.2.2 非数值数据的编码 36

2.3 数据的定点与浮点表示 44

2.3.1 定点数表示 44

2.3.2 浮点数表示 46

2.4 检错与纠错码 58

2.4.1 奇偶校验码 58

2.4.2 循环冗余校验码 61

2.4.3 汉明码 64

习题 70

第3章 运算方法与运算器 75

3.1 定点数运算 75

3.1.1 加减运算 75

3.1.2 乘法运算 84

3.1.3 除法运算 96

3.2 算术逻辑部件 104

3.2.1 单元电路 104

3.2.2 算术逻辑部件 106

3.2.3 运算器的结构 108

3.3 浮点运算 109

3.3.1 加减运算 109

3.3.2 乘除运算 112

3.3.3 浮点运算的实现 115

习题 116

第4章 存储系统 120

4.1 存储系统概述 120

4.1.1 存储系统的层次结构 120

4.1.2 存储器分类 120

4.1.3 存储器的性能指标 121

4.2 内存储器 123

4.2.1 随机存储器 123

4.2.2 只读存储器 131

4.2.3 动态存储器 133

4.2.4 主存储器校验 136

4.2.5 其他存储器 139

4.3 高速缓冲存储器 143

4.3.1 工作原理 143

4.3.2 地址映射 144

4.3.3 替换算法 149

4.3.4 主存与Cache内容的一致性问题 150

4.3.5 Cache性能分析 151

4.3.6 Pentium的Cache 153

4.4 虚拟存储器 154

4.4.1 虚拟存储器的概念 154

4.4.2 页式虚拟存储器 155

4.4.3 段式虚拟存储器 157

4.4.4 段页式虚拟存储器 158

4.4.5 有关虚拟存储器的几点说明 159

4.4.6 Pentium虚拟存储器 160

4.5 外存储器 161

4.5.1 磁表面存储器 162

4.5.2 光存储器 172

习题 176

第5章 指令系统 182

5.1 指令格式 182

5.1.1 机器指令特征 182

5.1.2 指令格式及设计 183

5.1.3 指令长度设计 186

5.2 数据存储与寻址方式 187

5.2.1 数据存储方式 187

5.2.2 寻址方式 189

5.3 指令类型 197

5.3.1 数据传送类 197

5.3.2 算术运算类 197

5.3.3 逻辑运算类 197

5.3.4 数据转换类 199

5.3.5 输入输出类 199

5.3.6 系统控制类 199

5.3.7 控制传递类 199

5.4 典型处理器的指令系统 201

5.4.1 Pentium指令格式及核心指令 202

5.4.2 SPARC指令格式及核心指令 209

5.5 CISC与RISC 215

5.5.1 CISC与RISC 216

5.5.2 RISC的寄存器窗口技术 218

习题 220

第6章 中央处理器 222

6.1 CPU结构和微操作 222

6.1.1 CPU的功能与结构 222

6.1.2 指令周期 224

6.1.3 微操作 225

6.1.4 控制器的组成 232

6.2 硬布线控制器设计 233

6.3 微程序控制器设计 240

6.3.1 微程序控制原理 240

6.3.2 微指令设计 243

6.3.3 微程序设计 253

6.3.4 微程序控制器设计 257

6.4 微程序控制器与硬布线控制器的比较 259

6.5 CPU性能的测量与提高 259

6.5.1 计算机系统性能测量 259

6.5.2 CPU性能测量 260

6.5.3 提高CPU速度的策略 268

6.6 CPU中的新技术 269

6.6.1 多核技术 269

6.6.2 多线程技术 270

6.6.3 多核＋多线程技术 273

6.7 典型的CPU 274

6.7.1 Intel的CPU 275

6.7.2 SUN的CPU 276

6.7.3 MIPS的CPU 280

习题 281

第7章 流水线技术与指令级并行 287

7.1 流水线处理 287

7.1.1 流水线的一般结构 287

7.1.2 流水线类型 288

7.2 浮点运算流水线 292

7.2.1 浮点加减法器流水线 292

7.2.2 浮点乘除法器流水线 295

7.3 指令流水线 298

7.3.1 基本的指令流水线 298

7.3.2 指令流水线策略 301

7.4 流水线性能度量 305

7.4.1 时-空图 305

7.4.2 吞吐率 306

7.4.3 加速比 308

7.4.4 效率 309

7.4.5 吞吐率、加速比和效率的关系 310

7.4.6 流水线性能分析 310

7.5 指令流水线的性能提高 313

7.5.1 流水线的基本性能问题 314

7.5.2 结构相关 315

7.5.3 数据相关 315

7.5.4 控制相关 317

7.6 指令级并行概念 322

7.6.1 指令流水线的限制 322

7.6.2 突破限制的途径 323

7.7 提高指令级并行的技术 324

7.7.1 程序的相关 324

7.7.2 指令调度 325

7.7.3 乱序执行和寄存器重命名 326

7.7.4 推测执行 331

7.8 多发射处理器 332

7.8.1 超标量处理器 334

7.8.2 超长指令字处理器 336

7.8.3 多发射处理器的限制 339

7.9 指令级并行的限制 339

习题 340

第8章 总线与输入输出系统 344

8.1 总线与输入输出系统概述 344

8.2 总线 346

8.2.1 总线类型与结构 346

8.2.2 总线的信息传输方式 352

8.2.3 总线仲裁 357

8.2.4 典型的总线 362

8.3 输入输出接口 366

8.4 输入输出技术 369

8.4.1 程序查询方式 369

8.4.2 中断方式 370

8.4.3 直接存储器存取方式 381

8.4.4 I/O通道方式 386

8.4.5 操作系统的支持 391

习题 393

第9章 并行体系结构 395

9.1 计算机体系结构的并行性 395

9.2 计算机体系结构的分类 398

9.3 阵列处理机和向量处理机 400

9.3.1 阵列处理机 400

9.3.2 向量处理机 402

9.4 互连网络 407

9.4.1 基本概念 407

9.4.2 网络拓扑结构 408

9.4.3 常用的互连模式和互连网络 424

9.5 多处理器系统 430

9.5.1 UMA对称多处理器系统 430

9.5.2 NUMA对称多处理器 439

9.5.3 Sun T1多处理器 442

9.6 多计算机系统 442

9.6.1 多计算机的概念 443

9.6.2 MPP 447

9.6.3 机群 451

9.7 网格 457

9.7.1 网格概述 457

9.7.2 Globus体系结构 460

9.7.3 网格计算用户案例 461

9.7.4 网格的难题 463

9.8 并行处理面临的挑战 464

习题 465

第10章 计算机系统设计 470

10.1 概述 470

10.1.1 数字系统设计的发展 470

10.1.2 IP核 471

10.1.3 数字系统的设计方法 472

10.2 设计语言与工具 473

10.2.1 EDA工具软件分类 473

10.2.2 硬件描述语言HDL 474

10.2.3 SystemC 484

10.2.4 QuartusⅡ 486

10.3 基于VHDL的CPU设计 487

10.3.1 单元电路的设计 487

10.3.2 CPU设计概要 500

10.4 SoC设计 523

10.4.1 概述 523

10.4.2 SoC片内总线 528

10.4.3 IP核设计与复用 536

10.4.4 SoC设计举例 542

10.5 基于可配置处理器的SoC设计 545

10.5.1 问题的由来 545

10.5.2 Tensilica Xtensa可配置处理器 546

习题 553

参考文献 554