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第一部分 概述1

第1章 导论2

1.1 计算机组织和体系结构2

1.2 结构和功能3

1.2.1 功能3

1.2.2 结构4

1.3 本书内容的组织8

1.4 因特网和万维网资源10

第2章 计算机的演变和性能12

2.1 计算机简史12

2.1.1 第一代：真空管12

2.1.2 第二代：晶体管18

2.1.3 第三代：集成电路19

2.1.4 以后的几代24

2.2 性能设计27

2.2.1 微处理器的速度28

2.2.2 性能平衡28

2.3 Pentium和PowerPC的进展30

2.3.1 Pentium30

2.3.2 PowerPC31

2.4 参考文献和Web站点32

2.5 习题33

第二部分 计算机系统35

3.1 计算机的部件36

第3章 系统总线36

3.2 计算机功能38

3.2.1 取指周期和执行周期39

3.2.2 I/O功能48

3.3 互连结构48

3.4 总线互连50

3.4.1 总线结构50

3.4.2 多总线分级结构51

3.4.3 总线设计的要素53

3.5 PCI57

3.5.1 总线结构57

3.5.2 PCI命令60

3.5.3 数据传送61

3.5.4 仲裁63

3.6 参数文献和Web站点64

3.7 习题65

附录3A 时序图67

第4章 内部存储器68

4.1 计算机存储系统概述68

4.1.1 存储系统的特性68

4.1.2 存储器分层结构70

4.2 半导体主存储器73

4.2.1 半导体随机存储器分类73

4.2.3 芯片逻辑75

4.2.2 组织75

4.2.4 芯片封装77

4.2.5 模块组织78

4.2.6 纠错79

4.3 Cache存储器83

4.3.1 原理83

4.3.2 Cache的设计要素85

4.4 Pentium Ⅱ和PowerPC的Cache组织94

4.4.1 Pentium Ⅱ的Cache组织94

4.4.2 PowerPC的Cache结构97

4.5.1 增强型DRAM98

4.5 高级DRAM结构98

4.5.2 带Cache的DRAM99

4.5.3 同步DRAM99

4.5.4 Rambus DRAM99

4.5.5 RamLink100

4.6 参考文献和Web站点102

4.7 习题102

附录4A 两级存储器的性能特点105

4A.1 局部性105

4A.2 局部存储器的操作107

4A.3 性能107

5.1 磁盘111

5.1.1 数据组织和格式化111

第5章 外部存储器111

5.1.2 物理特性113

5.1.3 磁盘性能参数115

5.2 RAID(磁盘冗余阵列)117

5.2.1 RAID 0级118

5.2.2 RAID 1级122

5.2.3 RAID 2级122

5.2.4 RAID 3级123

5.2.5 RAID 4级123

5.2.7 RAID 6级124

5.3 光存储器124

5.2.6 RAID 5级124

5.3.1 CD-ROM125

5.3.2 WORM(一写多读光盘)127

5.3.3 可擦光盘127

5.3.4 DVD128

5.3.5 光-磁盘128

5.4 磁带128

5.5 参考文献和Web站点129

5.6 习题129

第6章 输入/输出131

6.1 外部设备131

6.1.1 键盘/显示器133

6.1.2 磁盘驱动器133

6.2.1 模块功能135

6.2 I/O模块135

6.2.2 I/O模块结构136

6.3 编程控制的I/O137

6.3.1 概述138

6.3.2 I/O命令138

6.3.3 I/O指令138

6.4 中断驱动的I/O140

6.4.1 中断处理141

6.4.2 设计问题142

6.4.3 Intel 82C59A中断控制器144

6.4.4 Intel 82C55A可编程外部接口144

6.5.1 编程控制的I/O和中断驱动I/O的不足146

6.5 存储器直接存取(DMA)146

6.5.2 DMA功能148

6.6 I/O通道和处理器150

6.6.1 I/O功能的演变150

6.6.2 I/O通道的特性150

6.7 外部接口：SCSI和FireWire151

6.7.1 接口的类型151

6.7.2 点对点和多点配置152

6.7.3 小型计算机系统接口(SCSI)152

6.7.4 FireWire串行总线158

6.8 参考文献和Web站点162

6.9 习题163

7.1.1 操作系统的目标和功能166

第7章 操作系统支持166

7.1 操作系统概述166

7.1.2 操作系统的类型168

7.2 调度175

7.2.1 长项调度176

7.2.2 中项调度176

7.2.3 短项调度176

7.3 存储管理180

7.3.1 交换180

7.3.2 分区181

7.3.3 分页183

7.3.4 虚拟存储器185

7.3.5 分段188

7.4 Pentium Ⅱ和PowerPC的存储管理189

7.4.1 Pentium Ⅱ的存储管理硬件189

7.4.2 PowerPC存储管理硬件191

7.5 参考文献和Web站点195

7.6 习题196

第三部分 中央处理器199

第8章 计算机算法200

8.1 算术和逻辑单元(ALU)200

8.2 整数表示201

8.2.1 符号-幅值表示法201

8.2.2 2的补码表示法202

8.2.3 不同位长间的转换204

8.2.4 定点表示法205

8.3 整数算术运算205

8.3.1 取负206

8.3.2 乘法208

8.3.3 除法215

8.4 浮点表示218

8.4.1 原理218

8.4.2 二进制浮点表示的IEEE标准221

8.5 浮点算术运算222

8.5.1 浮点加法和减法223

8.5.2 浮点乘法和除法225

8.5.3 浮点运算的精度问题226

8.5.4 二进制浮点算术的IEEE标准228

8.6 参考文献和Web站点230

8.7 习题230

附录8A 数值系统232

8A.1 十进制系统232

8A.2 二进制系统233

8A.3 二进制与十进制间的转换234

8A.4 十六进制表示法236

第9章 指令集：特征和功能238

9.1 机器指令特征238

9.1.1 机器指令要素238

9.1.2 指令表示239

9.1.3 指令类型240

9.1.4 地址数目241

9.1.5 指令集设计243

9.2 操作数类型243

9.2.1 数值243

9.2.2 字符244

9.2.3 逻辑数据244

9.3 Pentium Ⅱ和PowerPC数据类型245

9.3.1 Pentium Ⅱ数据类型245

9.3.2 PowerPC数据类型245

9.4 操作类型247

9.4.1 数据传送类248

9.4.3 逻辑类249

9.4.2 算术运算类249

9.4.4 转换类251

9.4.5 输入/输出类252

9.4.6 系统控制类252

9.4.7 控制传递类252

9.5 Pentium Ⅱ和PowerPC操作类型257

9.5.1 Pentium Ⅱ操作类型257

9.5.2 PowerPC操作类型262

9.6 汇编语言264

9.7 参考文献265

9.8 习题266

附录9A 堆栈269

9A.1 堆栈实现270

9A.2 表示式求值271

附录9B 小端和大端次序以及位序273

9B.1 字节排序273

9B.2 位排序276

第10章 指令集：寻址方式和指令格式277

10.1 寻址方式277

10.1.1 立即寻址279

10.1.2 直接寻址279

10.1.3 间接寻址279

10.1.5 寄存器间接寻址280

10.1.6 偏移寻址280

10.1.4 寄存器寻址280

10.1.7 堆栈寻址282

10.2 Pentium和PowerPC寻址方式282

10.2.1 Pentium Ⅱ寻址方式282

10.2.2 PowerPC寻址方式284

10.3 指令格式286

10.3.1 指令长度286

10.3.2 位的分配287

10.3.3 可变长指令290

10.4 Pentium和PowerPC指令格式292

10.4.1 Pentium Ⅱ指令格式292

10.4.2 PowerPC指令格式294

10.6 习题296

10.5 参考文献296

第11章 CPU结构和功能298

11.1 处理器组织298

11.2 寄存器组织300

11.2.1 用户可见寄存器300

11.2.2 控制和状态寄存器301

11.2.3 微处理器寄存器组织的例子302

11.3 指令周期304

11.3.1 间址周期304

11.3.2 数据流305

11.4 指令流水307

11.4.1 流水线策略307

11.4.2 流水线的性能310

11.4.3 转移处理312

11.4.4 Intel 80486的流水线317

11.5 Pentium处理器318

11.5.1 寄存器组织318

11.5.2 MMX寄存器322

11.5.3 中断处理322

11.6 PowerPC处理器325

11.6.1 寄存器组织325

11.6.2 中断处理327

11.7 参考文献329

11.8 习题330

第12章 精简指令集计算机332

12.1 指令执行特征333

12.1.1 操作334

12.1.2 操作数334

12.1.3 过程调用335

12.1.4 结论335

12.2 大寄存器方案的使用336

12.2.1 寄存器窗口336

12.2.2 全局变量338

12.2.3 大寄存器集与Cache的对比338

12.3 基于编译器的寄存器优化339

12.4.1 CISC的理由341

12.4 精简指令集结构341

12.4.2 精简指令集结构特征342

12.4.3 CISC与RISC特征对比344

12.5 RISC流水线技术345

12.5.1 规整指令的流水线技术345

12.5.2 流水线的优化347

12.6 MIPS R4000348

12.6.1 指令集349

12.6.2 指令流水线351

12.7 SPARC354

12.7.1 SPARC寄存器组354

12.7.2 指令集354

12.7.3 指令格式357

12.8 RISC与CISC的争论358

12.9 参考文献359

12.10 习题360

第13章 超标量处理器363

13.1 概述363

13.1.1 超标量与超级流水线364

13.1.2 限制364

13.2 设计考虑367

13.2.1 指令级并行性和机器并行性367

13.2.2 指令发射策略368

13.2.3 寄存器重命名370

13.2.4 机器并行性371

13.2.5 转移预测372

13.2.6 超标量执行372

13.2.7 超标量实现373

13.3 Pentium Ⅱ373

13.3.1 取指令和译码单元374

13.3.2 重排序缓冲器376

13.3.3 派遣/执行单元376

13.3.4 回收单元377

13.3.5 转移预测377

13.4 PowerPC378

13.4.1 PowerPC 601378

13.4.2 转移处理381

13.4.3 PowerPC 620383

13.5 MIPS R10000384

13.6 UltraSPARC Ⅱ385

13.6.1 内部组织385

13.6.2 流水线386

13.7 IA-64/Pentium387

13.7.1 推动因素388

13.7.2 组织389

13.7.3 指令格式390

13.7.4 断定执行390

13.7.5 推测装入394

13.8 参考文献和Web站点396

13.9 习题398

第四部分 控制器403

第14章 控制器操作404

14.1 微操作404

14.1.1 指令周期的子周期405

14.1.2 指令周期409

14.2 CPU控制410

14.2.1 功能需求410

14.2.2 控制信号411

14.2.3 控制信号举例412

14.2.4 CPU内部组织413

14.2.5 Intel 8085414

14.3.1 控制器输入419

14.3 硬线式实现419

14.3.2 控制器逻辑420

14.4 参考文献421

14.5 习题421

第15章 微程序式控制422

15.1 基本概念422

15.1.1 微指令422

15.1.2 微程序式控制器424

15.1.3 Wilkes控制425

15.1.4 优缺点429

15.2 微指令排序429

15.2.1 设计考虑429

15.2.2 排序技术430

15.2.3 地址生成431

15.2.4 LSI-11微指令排序433

15.3 微指令执行434

15.3.1 微指令分类法435

15.3.2 微指令编码437

15.3.3 LSI-11微指令执行438

15.3.4 IBM 3033微指令执行441

15.4 TI 8800443

15.4.1 微指令格式444

15.4.2 微顺序器446

15.4.3 带寄存器的ALU449

15.5 微程序应用451

15.6 参考文献452

15.7 习题453

第五部分 并行处理的组织455

第16章 并行处理456

16.1 多处理器组织456

16.1.1 并行处理器系统类型456

16.1.2 并行组织458

16.2 对称多处理器458

16.2.1 组织460

16.2.2 多处理器操作系统设计考虑463

16.2.3 大型机SMP463

16.3.2 硬件解决方案466

16.3 Cache一致性和MESI协议466

16.3.1 软件解决方案466

16.3.3 MESI协议468

16.4 机群系统470

16.4.1 机群系统配置470

16.4.2 操作系统设计问题472

16.4.3 机群系统与SMP的对比473

16.5 非对称存储器存取473

16.5.1 推动因素474

16.5.2 组织474

16.5.3 NUMA的赞成票和反对票475

16.6.1 向量计算方法476

16.6 向量计算476

16.6.2 IBM 3090向量机构481

16.7 参考文献486

16.8 习题487

附录A 数字逻辑490

A.1 布尔代数490

A.2 门491

A.3 组合电路494

A.3.1 布尔函数实现494

A.3.2 “与非门”和“或非门”的实现501

A.3.3 多路选择器502

A.3.4 译码器503

A.3.5 可编程逻辑阵列(PLA)505

A.3.6 只读存储器507

A.3.7 加法器508

A.4 时序电路511

A.4.1 触发器511

A.4.2 寄存器514

A.4.3 计数器515

A.5 习题518

附录B 计算机组织与结构课题521

B.1 研究性课题521

B.2 仿真性课题521

B.3 阅读/报告类题目522

词汇表523