第1章 计算机系统概论 1
1.1引言 1
1.2计算机系统的硬件组成 2
1.3计算机的软件系统 5
1.4计算机系统的多级层次结构 7
1.5计算机系统结构、组成和实现 8
1.6计算机的性能指标 9
1.6.1基本性能指标 9
1.6.2 Amdahl定律 12
1.7计算机的发展简史 13
1.8计算机的分类与应用 16
1.8.1计算机的分类 16
1.8.2计算机的应用 18
习题1 19
第2章 计算机执行程序的过程 20
2.1样例程序 20
2.2第1条指令的执行过程 20
2.2.1说明 20
2.2.2分解步骤 21
2.3第2条指令的执行过程 26
2.3.1说明 26
2.3.2分解步骤 26
2.4第3条指令的执行过程 28
2.4.1说明 28
2.4.2分解步骤 28
2.5第4条指令的执行过程 30
2.5.1说明 30
2.5.2分解步骤 30
2.6第5条指令的执行过程 33
2.6.1说明 33
2.6.2分解步骤 33
2.7第6条指令的执行过程 36
2.7.1说明 36
2.7.2分解步骤 36
习题2 38
第3章 计算机中数的表示方法 39
3.1带符号数的表示方法 39
3.1.1原码表示法 39
3.1.2补码表示法 40
3.1.3反码表示法 42
3.1.4移码表示法 43
3.2数的定点表示与浮点表示 44
3.2.1数的定点表示 44
3.2.2数的浮点表示 45
3.3十进制数串的表示 48
3.4数据校验码 50
3.4.1奇偶校验码 50
3.4.2汉明检验码 51
3.4.3循环冗余校验码 54
习题3 57
第4章 指令系统 58
4.1指令格式 58
4.1.1指令的地址码 59
4.1.2指令的操作码 60
4.1.3指令长度 61
4.2数据类型 62
4.3寻址方式 63
4.4指令类型与功能 67
4.5指令系统的设计 67
4.5.1对指令系统的基本要求 67
4.5.2指令格式的设计 68
4.6指令系统的发展和改进 69
4.6.1沿CISC方向发展和改进指令系统 69
4.6.2沿RISC方向发展和改进指令系统 71
4.7指令系统实例1： MIPS的指令系统 73
4.8指令系统实例2 ： UItraSPARC的指令系统 78
4.8.1 UltraSPARC的寄存器 79
4.8.2 UltraSPARC的数据表示及数据寻址方式 82
4.8.3 UltraSPARC的指令格式及部分指令介绍 82
习题4 85
第5章 中央处理器 88
5.1 CPU的功能和组成 88
5.2关于模型机 89
5.3逻辑设计的约定和定时方法 91
5.4实现MIPS的一个基本方案 92
5.4.1构建基本的数据通路 92
5.4.2 ALU控制器 97
5.4.3单周期数据通路的控制器 98
5.5多周期实现方案 101
5.5.1为什么要采用多周期 101
5.5.2指令分步执行过程（按周期分步） 102
5.6控制器设计 107
5.6.1控制器的组成 107
5.6.2控制方式与时序系统 109
5.6.3模型机控制器的设计 111
5.7经典微处理器 114
5.7.1 Intel 80386/80486 114
5.7.2 Pentium微处理器 115
5.7.3 Alpha微处理器 118
习题5 119
第6章 微程序控制器 121
6.1微程序控制的基本原理 121
6.2微程序控制器的组成与工作过程 122
6.3微程序设计技术 123
6.3.1微指令的编码方法 124
6.3.2微指令的格式 126
6.3.3微程序的顺序控制方法 127
6.3.4微指令的执行方式 131
6.4模型机的微程序控制器设计 132
6.4.1模型机的微指令格式 132
6.4.2构造微程序 135
习题6 137
第7章 运算方法与运算器 139
7.1逻辑运算与移位运算 139
7.1.1逻辑运算 139
7.1.2移位运算 140
7.2定点数的加减法运算 143
7.2.1补码加减法运算规则 145
7.2.2补码加减法运算的硬件实现 146
7.2.3溢出的判断 146
7.3定点数的乘除法运算 148
7.3.1原码乘法运算 148
7.3.2补码一位乘法 151
7.3.3阵列乘法器 153
7.3.4原码一位除法 155
7.3.5阵列除法器 161
7.4定点运算器的构成 163
7.4.1算术逻辑运算单元 163
7.4.2寄存器组 164
7.4.3运算器的基本结构 165
7.5浮点运算 166
7.5.1浮点加减运算 166
7.5.2浮点乘除法运算 168
习题7 169
第8章 存储器 171
8.1存储子系统概述 171
8.1.1三级存储层次 171
8.1.2存储器的分类 172
8.2主存储器 174
8.2.1主存储器的组成 174
8.2.2数据字在存储器中的存放 175
8.2.3主存储器的主要技术指标 176
8.3随机存储器 177
8.3.1静态随机存储器 177
8.3.2动态随机存储器 178
8.3.3随机存储器芯片 179
8.3.4 DRAM的刷新 184
8.4只读存储器和闪速存储器 185
8.4.1只读存储器 185
8.4.2闪速存储器 189
8.5主存的设计 189
8.6并行主存储器 192
8.6.1单体多字存储器 192
8.6.2多体交叉存储器 193
8.6.3避免存储体冲突 197
8.7辅助存储器 199
8.7.1磁表面存储器 199
8.7.2磁盘存储器 201
8.7.3光盘存储器 203
8.8廉价磁盘冗余阵列 204
8.8.1 RAID0 206
8.8.2 RAID1 207
8.8.3 RAID2 207
8.8.4 RAID3 208
8.8.5 RAID4 209
8.8.6 RAID5 210
8.8.7 RAID6 210
8.8.8 RAID10与RAID01 211
8.8.9 RAID的实现与发展 211
习题8 212
第9章 总线系统 214
9.1总线的概念 214
9.1.1总线的基本概念 214
9.1.2总线的分类 217
9.1.3总线的连接方式 217
9.2总线系统的工作原理 220
9.2.1总线控制器 220
9.2.2总线的工作过程 220
9.2.3总线接口 221
9.3仲裁、定时和数据传送 222
9.3.1总线的仲裁 222
9.3.2总线的定时 225
9.3.3总线的数据传送方式 227
9.4总线实例 228
9.4.1总线的标准化 228
9.4.2 PCI总线 229
9.4.3 ISA总线 235
9.4.4 EISA总线 235
9.4.5 VESA总线 236
9.4.6 SCSI总线 236
9.4.7 USB总线 237
9.4.8 IEEE 1394总线 239
9.4.9 EIA-RS 232-D总线 241
习题9 243
第10章 输入/输出系统 244
10.1 I/O系统概述 244
10.1.1主机与外设之间的连接方式 244
10.1.2 I/O设备的编址方式 246
10.1.3数据传送控制方式 247
10.2 I/O接口 248
10.3程序查询方式 250
10.4中断系统 250
10.4.1中断的基本概念 250
10.4.2中断请求信号的建立、屏蔽与传送 252
10.4.3中断源的识别与判优 254
10.4.4中断响应与中断处理 258
10.4.5多重中断与中断屏蔽 260
10.5程序中断I/O控制方式 262
10.6直接存储器访问方式 263
10.6.1 DMA的基本概念 263
10.6.2 DMA的传送方式 264
10.6.3 DMA控制器的组成 265
10.6.4 DMA的数据传送过程 266
10.7通道方式 268
10.7.1通道的作用和功能 268
10.7.2通道的工作过程 269
10.7.3通道的种类 272
10.7.4通道中的数据传送过程与流量分析 274
习题10 277
第11章 流水线技术 279
11.1流水线的基本概念 279
11.1.1什么是流水线 279
11.1.2流水线的分类 280
11.2流水线的性能指标 283
11.2.1流水线的吞吐率 284
11.2.2流水线的加速比 286
11.2.3流水线的效率 287
11.2.4流水线性能分析举例 288
11.2.5流水线设计中的若干问题 290
11.3流水线的相关与冲突 291
11.3.1一条经典的5段流水线 291
11.3.2相关与流水线冲突 293
11.4流水线的实现 304
习题11 308
第12章 存储层次 311
12.1存储系统的层次结构 311
12.1.1存储系统的层次结构 311
12.1.2存储系统的性能参数 312
12.1.3三级存储系统 313
12.1.4存储层次的4个问题 315
12.2 Cache基本知识 315
12.2.1基本结构和原理 315
12.2.2映像规则 316
12.2.3查找方法 318
12.2.4 Cache的工作过程 319
12.2.5替换算法 322
12.2.6写策略 322
12.2.7 Cache性能分析 324
12.2.8改进Cache性能 326
12.3降低Cache不命中率 326
12.4减少Cache不命中开销 330
12.5减少命中时间 332
习题12 335
第13章 多处理机 337
13.1引言 337
13.1.1并行计算机系统结构的分类 337
13.1.2存储器系统结构和通信机制 339
13.1.3并行处理面临的挑战 341
13.2对称式共享存储器系统结构 343
13.2.1多处理机Cache一致性 343
13.2.2实现一致性的基本方案 345
13.2.3监听协议的基本实现技术 347
13.3分布式共享存储器系统结构 349
13.3.1目录协议的基本思想 349
13.3.2目录协议的实现 352
13.4同步 353
13.5同时多线程 355
13.5.1将线程级并行转换为指令级并行 356
13.5.2同时多线程处理器的设计 357
13.5.3同时多线程的性能 358
13.6多处理机实例：T1 360
13.6.1 T1的结构 360
13.6.2 T1的性能 361
13.6.3多核处理器的性能对比 363
13.7 MPP和机群 365
13.7.1并行计算机系统结构 365
13.7.2大规模并行处理机 367
13.7.3机群系统 369
习题13 372
第14章 多核架构与编程 374
14.1多核架构的需求 374
14.1.1功耗与散热问题 374
14.1.2并行度问题 375
14.1.3应用软件的问题 376
14.2多核架构 377
14.2.1多核的组织架构 377
14.2.2多核架构实例 378
14.3基于多核的并行程序设计 382
14.3.1并行编程模型 382
14.3.2并行编程语言 383
14.3.3并行算法 384
14.4多核编程实例 385
习题14 387
主要参考文献 388