第1章 计算机系统概述 1
1.1 计算机的功能和特性 1
1.2 计算机的发展历程 2
1.2.1 电子计算机的诞生 2
1.2.2 第一代计算机 2
1.2.3 第二代计算机 3
1.2.4 第三代计算机 4
1.2.5 第四代计算机 4
1.3 计算机系统的组成 6
1.3.1 计算机硬件 6
1.3.2 计算机软件 9
1.4 计算机系统的层次化结构 10
1.4.1 最终用户眼中的计算机 10
1.4.2 系统管理员眼中的计算机 10
1.4.3 应用程序员眼中的计算机 11
1.4.4 系统程序员眼中的计算机 11
1.4.5 程序开发与执行过程 11
1.5 本教材的主要内容和组织结构 14
1.6 计算机系统性能评价 16
1.6.1 计算机性能的定义 16
1.6.2 计算机性能的测试 16
1.6.3 用指令执行速度进行性能评估 19
1.6.4 用基准程序进行性能评估 20
1.7 本章小结 21
习题1 22
第2章 数据的机器级表示 25
2.1 数制和编码 25
2.1.1 信息的二进制编码 25
2.1.2 进位计数制 27
2.1.3 定点与浮点表示 31
2.1.4 定点数的编码表示 31
2.2 整数的表示 36
2.2.1 无符号整数的表示 36
2.2.2 带符号整数的表示 37
2.2.3 C语言中的整数类型 37
2.3 实数的表示 38
2.3.1 浮点数的表示格式 38
2.3.2 浮点数的规格化 40
2.3.3 IEEE 754浮点数标准 41
2.3.4 C语言中的浮点数类型 45
2.4 十进制数的表示 47
2.4.1 用ASCII码字符表示 47
2.4.2 用BCD码表示 48
2.5 非数值数据的编码表示 49
2.5.1 逻辑值 49
2.5.2 西文字符 50
2.5.3 汉字字符 51
2.6 数据的宽度和存储 53
2.6.1 数据的宽度和单位 53
2.6.2 数据的存储和排列顺序 55
2.7 数据校验码 58
2.7.1 奇偶校验码 60
2.7.2 海明校验码 60
2.7.3 循环冗余校验码 64
2.8 本章小结 67
习题2 68
第3章 运算方法和运算部件 72
3.1 高级语言和机器指令中的运算 72
3.1.1 C程序中涉及的运算 72
3.1.2 MIPS指令中涉及的运算 75
3.2 基本运算部件 77
3.2.1 串行进位加法器 78
3.2.2 进位选择加法器 79
3.2.3 并行进位加法器 79
3.2.4 算术逻辑部件 82
3.3 定点数运算 85
3.3.1 补码加减运算 86
3.3.2 原码加减运算 88
3.3.3 移码加减运算 89
3.3.4 原码乘法运算 90
3.3.5 补码乘法运算 95
3.3.6 快速乘法器 99
3.3.7 原码除法运算 101
3.3.8 补码除法运算 108
3.3.9 阵列除法器 112
3.4 浮点数运算 113
3.4.1 浮点数加减运算 113
3.4.2 浮点数乘除运算 117
3.5 运算部件的组成 120
3.5.1 定点运算部件 120
3.5.2 浮点运算部件 122
3.6 十进制数加减运算 124
3.7 本章小结 125
习题3 126
第4章 存储器分层体系结构 130
4.1 存储器概述 130
4.1.1 存储器的分类 130
4.1.2 主存储器的组成和基本操作 131
4.1.3 存储器的主要性能指标 132
4.1.4 存储器的层次化结构 133
4.2 半导体随机存取存储器 134
4.2.1 基本存储元件 134
4.2.2 静态RAM芯片 135
4.2.3 动态RAM芯片 138
4.3 半导体只读存储器和Flash存储器 141
4.3.1 半导体只读存储器 141
4.3.2 半导体Flash存储器 142
4.4 存储器芯片的扩展及其与CPU的连接 143
4.4.1 存储器芯片的扩展 143
4.4.2 存储器芯片与CPU的连接 144
4.5 并行存储器结构技术 146
4.5.1 双口存储器 146
4.5.2 多模块存储器 147
4.6 高速缓冲存储器 149
4.6.1 程序访问的局部性 149
4.6.2 cache的基本工作原理 151
4.6.3 cache行和主存块之间的映射方式 153
4.6.4 cache中主存块的替换算法 160
4.6.5 cache的一致性问题 164
4.6.6 cache性能评估 165
4.6.7 影响cache性能的因素 166
4.6.8 cache结构举例 169
4.7 虚拟存储器 170
4.7.1 进程与进程的上下文切换 171
4.7.2 存储器管理 172
4.7.3 虚拟地址空间 174
4.7.4 虚拟存储器的实现 176
4.7.5 存储保护 183
4.8 本章小结 184
习题4 186
第5章 指令系统 192
5.1 指令格式设计 192
5.1.1 指令地址码的个数 192
5.1.2 指令格式设计原则 193
5.2 指令系统设计 194
5.2.1 基本设计问题 194
5.2.2 操作数类型 195
5.2.3 寻址方式 195
5.2.4 操作类型 199
5.2.5 操作码编码 200
5.2.6 条件码的生成与使用 202
5.2.7 指令系统设计风格 203
5.3 指令系统实例 205
5.3.1 Pentium指令系统 205
5.3.2 Power PC指令系统 208
5.3.3 MMX和SIMD指令技术 209
5.4 程序的机器级表示 210
5.4.1 MIPS汇编语言和机器语言 210
5.4.2 选择结构的机器代码表示 214
5.4.3 循环结构的机器代码表示 215
5.4.4 过程调用的机器代码表示 216
5.5 本章小结 223
习题5 225
第6章 中央处理器 229
6.1 CPU概述 229
6.1.1 指令执行过程 229
6.1.2 CPU的基本功能 230
6.1.3 CPU的基本组成 231
6.1.4 数据通路的基本结构 232
6.2 单周期处理器设计 240
6.2.1 指令功能的描述 241
6.2.2 数据通路的设计 242
6.2.3 控制逻辑单元的设计 251
6.2.4 时钟周期的确定 258
6.3 多周期处理器设计 259
6.3.1 信号竞争问题 259
6.3.2 指令执行状态分析 260
6.3.3 硬连线路控制器设计 263
6.4 微程序控制器设计 265
6.4.1 Wilkes微程序控制器 266
6.4.2 微程序控制器的结构 267
6.4.3 微命令编码和微指令格式 268
6.4.4 微指令地址的确定 273
6.5 异常和中断处理 276
6.5.1 基本概念 276
6.5.2 异常处理过程 278
6.5.3 带异常处理的处理器设计 279
6.6 本章小结 282
习题6 284
第7章 指令流水线 287
7.1 流水线概述 287
7.1.1 流水线的执行效率 287
7.1.2 适合流水线的指令集特征 288
7.2 流水线处理器的实现 289
7.2.1 每条指令的流水段分析 289
7.2.2 流水线数据通路的设计 290
7.2.3 流水线控制器的设计 295
7.3 流水线冒险及其处理 296
7.3.1 结构冒险 296
7.3.2 数据冒险 297
7.3.3 控制冒险 304
7.3.4 访问缺失引起的流水线阻塞 310
7.4 高级流水线技术 312
7.4.1 静态多发射处理器 313
7.4.2 动态多发射处理器 317
7.4.3 Pentium 4处理器的流水线结构 321
7.5 本章小结 324
习题7 326
第8章 系统总线 329
8.1 总线的基本概念 329
8.1.1 总线的特性和分类 329
8.1.2 系统总线的组成 330
8.2 总线设计的要素 331
8.2.1 信号线类型 331
8.2.2 总线事务类型 332
8.2.3 总线带宽 333
8.2.4 总线裁决 333
8.2.5 定时方式 338
8.3 总线接口单元 343
8.4 总线标准 344
8.4.1 ISA总线 344
8.4.2 EISA总线 345
8.4.3 PCI总线 345
8.5 总线结构 351
8.5.1 单总线结构 351
8.5.2 双总线结构 351
8.5.3 多总线结构 352
8.6 本章小结 354
习题8 355
第9章 输入输出组织 358
9.1 外部设备的分类与特点 358
9.1.1 外设的分类 358
9.1.2 外设的特点 359
9.2 输入设备和输出设备 359
9.2.1 键盘 359
9.2.2 鼠标器 361
9.2.3 打印机 361
9.2.4 显示器 364
9.3 外部存储设备 366
9.3.1 磁表面存储原理 366
9.3.2 硬盘存储器 370
9.3.3 磁带存储器 377
9.3.4 光盘存储器 378
9.4 I/O接口 380
9.4.1 I/O接口的功能 380
9.4.2 I/O接口的通用结构 381
9.4.3 操作系统对I/O的支持 382
9.4.4 I/O端口及其编址 384
9.4.5 I/O接口的分类 386
9.4.6 并行传输和串行传输 387
9.4.7 I/O接口举例 390
9.5 I/O数据传送控制方式 394
9.5.1 程序直接控制I/O方式 395
9.5.2 程序中断I/O方式 398
9.5.3 DMA方式 407
9.5.4 通道和I/O处理器方式 413
9.6 本章小结 416
习题9 418
参考文献 422