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目 录 1

第1章计算机组成与系统结构概述 1

1.1计算机系统概念 1

1.1.1计算机的产生与发展 1

1.1.2计算机的应用 3

1.1.3计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 5

1.2计算机系统的层次结构 6

1.3计算机系统组成 7

1.4计算机系统结构的分类 8

1.4.1弗林分类法 8

1.4.2冯氏分类法 10

1.4.3海德勒分类法 11

1.5计算机系统结构的评价 11

1.5.1系统运行速度 12

1.5.2加速比 14

1.5.3 CPU性能 16

1.5.4系统的性能价格比 18

1.6计算机系统结构的发展 19

1.6.1冯·诺依曼机系统结构的演变 19

1.6.2软件、应用和器件对系统结构的影响 20

1.6.3系统结构中并行性的发展 22

习题 23

第2章逻辑部件基础 24

2.1计算机中常用的组合逻辑电路 24

2.1.1加法器 25

2.1.2算术逻辑单元 28

2.1.3数值比较器 32

2.1.4数据选择器 34

2.1.5译码器 36

2.2时序逻辑电路 37

2.2.1触发器 38

2.2.2寄存器和移位寄存器 39

2.2.3计数器 41

2.3时序逻辑电路设计基础——有限状态机理论 42

2.4阵列逻辑电路 44

2.4.1只读存储器（ROM） 44

2.4.2可编程逻辑阵列PLA 46

2.4.3可编程阵列逻辑PAL 47

2.4.4通用阵列逻辑GAL 48

2.4.5复杂可编程逻辑器件（CPLD）与现场可编程门阵列（FPGA） 48

习题 49

第3章运算方法与实现电路 52

3.1计算机中数据的表示与数制之间的转换 52

3.1.1计算机中数据的表示方法与转换 52

3.1.2十进制数的编码与运算 55

3.2机器数的编码表示及加减运算 57

3.2.1机器数的编码表示 57

3.2.2定点数加减运算 61

3.2.3定点数加减运算溢出的处理 64

3.3.1二进制乘法运算 66

3.3二进制乘除法运算 66

3.3.2二进制除法运算 75

3.4浮点数的运算方法 80

3.4.1浮点数的加减法运算 80

3.4.2浮点数的乘除法运算 81

3.5浮点数设计 84

3.5.1浮点数的表示格式 85

3.5.2浮点数的表示范围 86

3.5.3浮点数的表数精度 87

3.5.4浮点数的表数效率 90

3.5.5浮点数的尾数基值的选择 90

3.5.6浮点数格式的设计 94

3.5.7浮点数尾数的下溢处理方法 95

3.6数据校验码 97

3.6.1奇偶校验码 97

3.6.2海明校验码 98

3.6.3循环冗余校验码 100

3.7.1 自定义数据表示 103

3.7高级数据表示 103

3.7.2向量数组数据表示 108

3.7.3堆栈数据表示 108

3.7.4引入数据表示的原则 109

习题 111

第4章指令系统 113

4.1 引言 113

4.1.1传统计算机指令系统的设计技术 113

4.1.2指令系统发展的两种途径CISC和RISC 114

4.2指令格式 117

4.2.1指令字长度 117

4.2.2操作码 117

4.2.3地址码 119

4.2寻址技术 122

4.3.1指令寻址方式 122

4.3.2操作数寻址方式 123

4.4.1指令的分类 125

4.4典型的指令系统 125

4.4.2精简指令系统 127

4.5指令系统的优化设计 129

4.5.1操作码的优化设计 129

4.5.2地址码的优化设计 133

习题 137

5.1控制器的基本功能及结构 140

5.1.1控制器的功能 140

第5章控制器组成原理 140

5.1.2控制器的基本组成 141

5.2指令的执行过程 143

5.2.1时序系统 143

5.2.2指令的执行过程 144

5.2.3指令的执行过程举例 145

5.3硬布线控制器的组成原理与实现方法 146

5.3.1硬布线控制器的组成原理 147

5.3.2硬布线控制器的设计实例 148

5.4.1微程序控制器的基本原理 151

5.4微程序控制器的组成原理与实现方法 151

5.4.2微程序设计的技术问题 153

5.4.3微程序控制器的设计实例 158

5.5控制器的控制方式 160

习题 161

第6章主存储器与存储系统 163

6.1存储器分类 163

6.2主存储器的主要技术指标 164

6.3读写存储器 165

6.3.1静态RAM 165

6.3.2动态RAM 169

6.4非易失性半导体存储器 172

6.4.1只读存储器（ROM） 173

6.4.2可编程只读存储器（PROM） 173

6.4.3可擦除可编程只读存储器（EPROM） 174

6.4.4电可擦除可编程只读存储器（E2PROM） 175

6.4.5快速擦写存储器（Flash Memory） 177

6.4.6几种新型存储器 178

6.5主存储器组成 179

6.5.1位扩展 180

6.5.2字扩展 180

6.5.3字位扩展 181

6.6相联存储器 182

6.7存储系统与并行存储器 183

6.7.1存储系统的概念 183

6.7.2增加存储器的数据宽度 186

6.7.3多体交叉存储技术 187

6.7.4一种无冲突访问的存储器 190

6.8高速缓冲器Cache 193

6.8.1 Cache的工作原理 193

6.8.2 Cache的地址映像与地址变换 194

6.8.3替换算法 199

6.8.4 Cache的加速比 200

6.9.2地址映像与变换 201

6.9.1虚拟存储器的工作原理 201

6.9虚拟存储器原理 201

6.9.3页面替换算法及其实现 204

6.9.4虚拟存储器实例 205

习题 206

第7章辅助存储器 208

7.1硬盘存储设备 208

7.1.1磁记录原理与记录方式 208

7.1.3硬盘驱动器和硬盘控制器 211

7.1.2硬盘机的基本组成与分类 211

7.1.4硬盘的主要技术指标 213

7.2 RAID（冗余磁盘阵列） 215

7.2.1 RAID 0级 216

7.2.2 RAID 1级 217

7.2.3 RAID 2级 218

7.2.4 RAID 3级 219

7.2.5 RAID 4级 220

7.3.1软盘片 221

7.2.6 RAID 5级 221

7.3软盘存储设备 221

7.3.2软盘驱动器和控制器 222

7.4激光存储设备 223

7.4.1光盘存储器的种类 224

7.4.2光盘的读写原理 225

7.4.3光盘驱动器及接口 226

习题 227

第8章输入输出设备及系统 228

8.1输入输出设备的概述 228

8.1.1输入输出设备的作用 228

8.1.2输入输出设备的分类 229

8.2显示设备 230

8.2.1显示设备的概念与分类 230

8.2.2 CRT显示器 231

8.2.3字符／图形显示设备 235

8.2.4图像显示设备 237

8.2.5液晶显示器 238

8.3输入设备 241

8.3.1 图形输入设备 241

8.3.2图像输入设备 242

8.3.3语音输入设备 242

8.4打印设备 243

8.4.1打印设备的分类 243

8.4.2点阵针式打印机 243

8.4.3激光打印机 244

8.5输入输出系统 246

8.5.1 输入输出系统的概述 246

8.5.2程序查询方式 248

8.5.3程序中断方式 249

8.5.4直接存储器存取（DMA）方式 256

8.5.5通道控制方式 260

8.5.6通道的流量分析 262

8.6.2总线的连接方式 265

8.6总线 265

8.6.1总线的概念 265

8.6.3总线的内部结构 267

8.6.4几种常用的总线结构 267

习题 272

第9章流水线处理机及设计 274

9.1先行控制技术 274

9.1.1重叠控制与先行控制 274

9.1.2先行控制方式中处理机的结构 276

9.1.3先行控制方式中缓冲深度的设计 277

9.1.4数据相关 278

9.1.5控制相关 279

9.2流水线工作原理 280

9.2.1流水线的工作原理及定义 280

9.2.2流水线的分类 281

9.3流水线性能分析 284

9.3.1线性流水线的性能分析 284

9.3.2线性流水线的性能分析举例 289

9.3.3非线性流水线的调度技术简介 291

9.4其他结构的高性能处理机 292

9.4..1超标量处理机 293

9.4.2超流水线处理机 294

9.4.3超标量超流水线处理机 295

9.4.4超长指令字技术 296

习题 298

第10章向量处理机 299

10.1 向量处理机的基本概念 299

10.1.1 向量的概念 299

10.1.2向量运算指令 302

10.2向量处理机的结构 306

10.2.1存储器—存储器结构 306

10.2.2寄存器—寄存器结构 308

10.3向量处理机实例 310

10.3.1银河YH-1向量处理机 310

10.3.3 Fujitsu VP2000/VPP 500系列向量处理机 311

10.3.2 Cray系列机 311

10.4向量协处理机 313

10.4.1 向量协处理器的地位 313

10.4.2向量协处理器实例 314

10.5 向量处理机的性能分析 316

习题 321

11.1并行处理的概念 323

11.1.1并行性 323

第11章并行处理 323

11.1.2并行性的等级和分类 324

11.2并行处理机基本结构 325

11.2.1并行处理机的典型结构 325

11.2.2并行处理机的特点 327

11.3 SIMD计算机基本结构 327

11.3.1 Illiac IV计算机 328

11.3.2 Burroughs BSP计算机 332

11.3.3 CM-2计算机 336

11.4.1连续模型及差分计算 339

11.4 SIMD计算机的应用 339

11.4.2阵列处理机的几种基本算法 341

习题 345

第12章互连网络与多处理机 347

12.1 互连网络的基本概念 347

12.1.1互连网络在计算机系统中的作用 347

12.1.2主要特性和性能参数 348

12.1.3互连函数 350

12.1.4互连网络的种类 354

12.2静态互连网络 355

12.2.1静态互连网络结构 356

12.2.2静态互连网络特性 359

12.3动态互连网络 360

12.3.1动态互连网络的互连形式 360

12.3.2多级互连网络 364

12.4互连网络的消息传递机制 373

12.4.1消息寻径 374

12.4.2死锁和虚拟通道 376

12.4.3单播方式的寻径 378

12.4.4广播方式下的寻径 381

12.5多处理机系统特点与分类 382

12.5.1基本结构 382

12.5.2多处理机系统特点 383

12.5.3多处理机系统的Cache一致性问题 384

12.6典型的多处理机系统 388

12.6.1 MPP大规模并行多处理机系统 388

12.6.2 CM-5系统 389

12.6.3 SGI Origin 2000系列服务器 392

12.7机群系统 397

12.7.1机群系统的结构特点 397

12.7.2机群系统的关键技术 398

12.7.3几种典型的机群系统 400

习题 401

参考文献 403