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第1章 计算机系统概述1

1.1计算机发展简史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6

1.2计算机的分类7

1.3计算机系统简介10

1.3.1计算机系统的层次结构10

1.3.2计算机体系结构和计算机组成12

1.4计算机的基本组成13

1.4.1冯·诺伊曼计算机的特点13

1.4.2计算机的硬件框图13

1.5计算机性能的评价14

1.5.1性能评价的时间因素14

1.5.2性能评价程序的选择15

1.6计算机系统设计的准则16

1.7本书结构17

习题17

第2章 运算基础18

2.1数制和数制转换18

2.1.1数制18

2.1.2数制转换19

2.2数据的编码和表示20

2.2.1无符号数20

2.2.2有符号数20

2.2.3浮点数表示23

2.2.4二进制信息编码27

2.3定点数的运算28

2.3.1移位运算28

2.3.2加减法运算30

2.3.3乘法运算32

2.3.4除法运算35

2.4浮点数的运算37

2.4.1浮点数的加减法运算37

2.4.2浮点数的乘除法运算38

2.4.3保证位40

2.5检错码和纠错码40

2.5.1检错和纠错的理论基础40

2.5.2奇偶校验41

2.5.3 CRC校验41

2.5.4汉明码42

本章小结45

习题45

第3章 数字电路和逻辑电路基础46

3.1布尔代数46

3.2逻辑函数的化简47

3.2.1代数化简法47

3.2.2卡诺图化简法47

3.3组合逻辑电路49

3.3.1加法器49

3.3.2译码器52

3.3.3算术逻辑单元52

3.3.4数据选择器54

3.4时序逻辑电路55

3.4.1触发器55

3.4.2寄存器和移位寄存器57

3.4.3计数器58

3.5阵列逻辑电路59

3.5.1只读存储器60

3.5.2随机存取存储器62

3.5.3可编程逻辑器件63

3.6 VHDL硬件描述语言65

3.6.1 VHDL语法66

3.6.2 VHDL实例68

3.6.3 VHDL工具介绍69

本章小结70

习题71

第4章 系统总线72

4.1系统总线概述72

4.1.1总线的分类73

4.1.2总线的特性和性能指标74

4.2总线的通信方式76

4.2.1同步通信方式76

4.2.2异步通信方式77

4.3总线仲裁78

4.3.1集中式仲裁方式79

4.3.2分布式仲裁方式80

4.4总线结构81

4.4.1单总线结构81

4.4.2多总线结构81

4.5常用高速总线标准82

4.5.1 PCI82

4.5.2 AGP87

4.5.3 PCI Express88

本章小结91

习题91

第5章 存储器92

5.1概述92

5.1.1存储器的分类92

5.1.2存储器的层次结构93

5.2主存储器94

5.2.1主存储器的基本结构94

5.2.2主存储器的技术指标96

5.2.3半导体存储器接口的基本技术97

5.2.4高级DRAM技术101

5.3辅助存储器102

5.3.1辅助存储器的种类与技术指标103

5.3.2硬磁盘存储器104

5.3.3磁盘阵列存储器107

5.3.4光盘存储器111

5.3.5磁带存储器112

5.4 Cache112

5.4.1 Cache的工作原理113

5.4.2地址映射114

5.4.3替换策略118

5.4.4 Cache写策略119

5.4.5 Cache的性能分析119

5.4.6改进Cache性能的措施120

5.5虚拟储存器120

5.5.1虚拟存储器的基本原理120

5.5.2虚拟存储器的管理125

5.5.3快表TLB125

5.5.4 Pentium处理机的虚拟存储器技术126

本章小结127

习题127

第6章 输入输出系统128

6.1 I/O概述128

6.1.1 I/O接口的功能及组成128

6.1.2 I/O接口与I/O端口130

6.1.3 I/O端口的编址方式130

6.2程序查询方式131

6.2.1程序查询的基本思想131

6.2.2程序查询方式的工作流程131

6.3程序中断方式132

6.3.1中断的基本概念132

6.3.2中断处理流程134

6.3.3中断向量135

6.3.4中断判优逻辑135

6.3.5中断的嵌套137

6.4 DMA方式137

6.4.1 DMA的工作方式137

6.4.2 DMA接口组成139

6.4.3 DMA的工作过程140

6.5 I/O通道和I/O处理机142

6.5.1 I/O通道的种类和功能142

6.5.2通道型I/O处理机和外围处理机144

6.6 I/O接口标准145

6.6.1 IDE和SATA146

6.6.2 USB和FireWire146

本章小结147

习题148

第7章CPU的结构与功能149

7.1 CPU的功能149

7.2 CPU的结构150

7.2.1 CPU的结构框图150

7.2.2算术逻辑单元和控制器151

7.2.3 CPU的寄存器151

7.3指令周期及其数据通路153

7.3.1 CPU的执行过程153

7.3.2指令周期的基本概念155

7.3.3数据通路及其基本要素156

7.3.4指令子周期的数据通路157

7.4 Pentium处理器159

本章小结168

习题168

第8章 指令系统169

8.1机器指令169

8.1.1指令的一般书写格式169

8.1.2指令字长171

8.2操作数的类型、大小和存储171

8.2.1操作数类型和大小171

8.2.2数据在存储器中的存放方式172

8.3操作类型173

8.3.1数据传送类173

8.3.2算术运算类173

8.3.3逻辑运算类173

8.3.4控制传送类174

8.3.5输入输出类177

8.3.6系统控制类177

8.4寻址技术177

8.4.1立即数寻址178

8.4.2寄存器寻址178

8.4.3存储器寻址178

8.4.4寄存器和存储器混合寻址179

8.4.5相对寻址180

8.4.6堆栈寻址181

8.5指令集结构的功能设计182

8.5.1复杂指令系统计算机182

8.5.2精简指令系统计算机182

8.5.3 CISC与RISC的比较184

8.6指令系统的举例和设计185

8.6.1 SPARC的指令系统186

8.6.2 Pentium微处理器的指令系统190

本章小结197

习题197

第9章 控制器199

9.1控制器的功能199

9.1.1控制器的功能199

9.1.2控制器的组成199

9.1.3微操作命令分析200

9.1.4控制信号204

9.2硬布线控制器206

9.2.1硬布线控制器概述206

9.2.2硬布线控制器的结构207

9.2.3硬布线控制器的设计步骤208

9.3微程序控制器209

9.3.1微程序控制器概述209

9.3.2微程序控制器的结构框图210

9.3.3微程序控制器的工作原理211

9.3.4微指令的格式213

9.3.5微指令的编码方式214

9.3.6微指令序列地址的形成215

9.3.7微程序控制器举例217

本章小结223

习题223

第10章 并行计算机系统结构225

10.1计算机系统结构中的并行性概念225

10.1.1概述225

10.1.2并行计算机体系结构的分类225

10.2流水线技术228

10.2.1流水线原理228

10.2.2流水线的性能指标229

10.2.3流水线的相关问题231

10.2.4动态调度232

10.3片内并行237

10.3.1超流水线技术237

10.3.2超标量技术237

10.3.3超长指令字技术238

10.4共享内存的多处理机239

10.4.1 UMA对称多处理器系统240

10.4.2 NUMA多处理器系统243

10.5消息传递的多处理机244

10.5.1互联网络245

10.5.2大规模并行处理器247

10.5.3集群计算248

10.5.4多计算机的通信软件251

本章小结253

习题254

附录255

附录A使用硬布线方法设计CPU255

附录B常用逻辑符号对照表261

参考文献262