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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 Express 114

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 Cache 147

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TLB 162

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SATA 184

6.6.2 USB和FireW ire 186

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CPU 318

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SimpleScalar 325

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 suite 332

B.5 VHDL编写的JAM CPU 334

参考文献 336