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第1章 计算机系统概论1

1.1 电子计算机的发展概况1

1.1.1 计算机的产生1

1.1.2 国外计算机发展简介1

1.1.3 中国计算机发展简介2

1.1.4 计算机的发展趋势5

1.2 计算机的分类、特点和技术指标6

1.2.1 计算机的分类6

1.2.2 计算机的特点7

1.2.3 计算机的主要技术指标8

1.3 计算机基本结构及设计思想9

1.3.1 冯·诺依曼计算机的设计思想9

1.3.2 计算机的基本结构10

1.4 计算机的软件与计算机的工作过程13

1.4.1 软件的发展演变13

1.4.2 计算机的工作过程14

1.5 计算机软件与硬件的逻辑等价性19

1.6 计算机系统结构的基本概念19

1.6.1 计算机的层次结构19

1.6.2 计算机组成与系统结构的概念21

1.6.3 计算机系统结构中并行性的发展22

1.7 计算机的应用24

习题一26

第2章 数据的表示方法和数据校验28

2.1 数据的表示方法及其转换28

2.1.1 数制28

2.1.2 计算机为什么采用二进制29

2.1.3 不同数制间的数据转换29

2.1.4 数据符号的表示31

2.1.5 十进制数的编码与运算31

2.2 无符号数和有符号数33

2.2.1 无符号数33

2.2.2 有符号数及其编码33

2.3 定点数和浮点数39

2.3.1 数的定点表示39

2.3.2 数的浮点表示40

2.3.3 IEEE754标准42

2.4 非数值数据的表示方法43

2.4.1 逻辑数据43

2.4.2 字符的表示方法43

2.4.3 汉字的表示方法45

2.4.4 其他信息的表示46

2.5 数据校验46

2.5.1 奇偶校验47

2.5.2 海明码校验49

2.5.3 循环冗余校验52

习题二55

第3章 运算方法及运算部件56

3.1 二进制串行加法器和十进制加法器56

3.2 定点数的运算58

3.2.1 定点补码加、减运算58

3.2.2 加、减运算的溢出处理61

3.3 定点数乘法运算63

3.3.1 定点数的位移运算63

3.3.2 原码一位乘法和两位乘法65

3.3.3 补码一位乘法和两位乘法68

3.3.4 阵列乘法器72

3.4 定点数除法运算74

3.4.1 原码一位除法74

3.4.2 原码加减交替除法76

3.4.3 补码一位除法78

3.4.4 阵列除法器80

3.5 定点运算器的组成与结构80

3.5.1 二进制并行加法器81

3.5.2 多功能算术逻辑单元SN7418184

3.5.3 双极型位片式运算器AM29C10187

3.5.4 定点运算器的基本结构88

3.6 浮点数的运算方法与浮点运算器89

3.6.1 浮点数的加、减运算89

3.6.2 浮点数的乘、除法运算91

3.6.3 浮点运算器的组成93

习题三93

第4章 主存储器与Cache96

4.1 存储器系统概述96

4.1.1 存储器系统的Cache一主存层次结构96

4.1.2 存储器分类96

4.1.3 主存储器的主要性能指标100

4.2 半导体读／写存储器101

4.2.1 静态随机读／写存储器（SRAM）101

4.2.2 动态随机读／写存储器（DRAM）106

4.2.3 存储器芯片的读／写时序108

4.2.4 DRAM的刷新110

4.3 半导体只读存储器和闪速存储器112

4.3.1 固定掩膜只读存储器（ROM）112

4.3.2 一次编程只读存储器（PROM）112

4.3.3 可擦除可编程只读存储器（EPROM）113

4.3.4 闪速存储器114

4.4 主存储器的组成与设计116

4.4.1 主存储器存储单元的分配116

4.4.2 主存储器与CPU的连接117

4.4.3 主存储器的设计121

4.5 并行读／写存储器123

4.5.1 双端口存储器124

4.5.2 单体多字存储器127

4.5.3 多体交叉存储器128

4.6 相联存储器129

4.6.1 相联存储器的基本原理129

4.6.2 相联存储器的基本组成130

4.7 高速缓冲存储器（Cache）131

4.7.1 Cache的功能131

4.7.2 Cache的基本原理及结构132

4.7.3 Cache的读／写操作和命中率135

4.7.4 地址映像137

4.7.5 替换算法140

4.7.6 Pentium Ⅱ的Cache组织141

习题四143

第5章 指令系统的设计147

5.1 指令系统的作用和性能要求147

5.1.1 指令系统的作用147

5.1.2 对指令系统的性能要求147

5.2 机器指令的设计要素148

5.2.1 机器指令的组成要素148

5.2.2 指令的表示和类型149

5.2.3 指令集应考虑的各种因素150

5.3 指令的基本格式151

5.3.1 指令的一般格式151

5.3.2 操作码的编码技术151

5.3.3 地址码的安排152

5.3.4 指令的字长153

5.4 操作类型和操作数类型154

5.4.1 操作类型154

5.4.2 操作数类型156

5.5 指令寻址方式和操作数寻址方式157

5.5.1 指令寻址方式（包括顺序寻址、跳跃寻址）157

5.5.2 操作数寻址方式158

5.6 CISC和RISC的指令系统165

5.6.1 复杂指令系统计算机CISC165

5.6.2 精简指令系统计算机RISC166

5.6.3 RISC和CISC的比较167

习题五168

第6章 中央处理器与设计171

6.1 CPU的基本功能与结构171

6.1.1 CPU的基本功能171

6.1.2 CPU的基本结构172

6.1.3 算术／逻辑运算器的功能173

6.1.4 控制器的结构及功能173

6.1.5 寄存器与总线接口175

6.2 时序与控制176

6.2.1 指令周期177

6.2.2 时序信号发生器177

6.2.3 控制方式180

6.3 硬布线控制器的组成与设计181

6.3.1 基本概念181

6.3.2 硬布线控制器的基本原理182

6.3.3 硬布线控制器的设计步骤183

6.3.4 硬布线控制器设计举例185

6.3.5 阵列逻辑控制器189

6.3.6 指令执行过程举例192

6.4 微程序控制器结构原理195

6.4.1 微程序控制的基本概念195

6.4.2 微程序控制器的基本结构196

6.4.3 微程序控制的基本原理199

6.4.4 微程序控制器和硬布线控制器的比较202

6.5 微程序设计技术203

6.5.1 微指令的编码方式203

6.5.2 微地址的形成方法205

6.5.3 微指令的格式207

6.5.4 微程序设计举例209

6.6 流水线式CPU212

6.6.1 并行处理技术212

6.6.2 流水线式CPU的结构214

6.6.3 流水线中的主要问题及解决方法216

6.7 CPU举例216

6.7.1 早期Intel系列CPU简介216

6.7.2 早期Pentium系列CPU219

6.7.3 RISC处理器221

6.8 多核处理器224

6.8.1 为什么要发展多核处理器225

6.8.2 多核处理器的技术关键228

习题六230

第7章 辅存与虚拟存储器系统235

7.1 存储器系统的层次结构235

7.1.1 局部性原理235

7.1.2 多级存储器体系结构236

7.1.3 主存-辅存层次结构236

7.1.4 三级存储层次结构237

7.2 辅助存储器238

7.2.1 磁表面记录原理及记录方式238

7.2.2 磁盘存储器241

7.2.3 磁带存储器245

7.2.4 光盘存储器248

7.3 微型可移动U盘和SSD固态硬盘250

7.3.1 微型可移动U盘250

7.3.2 SSD固态硬盘251

7.4 虚拟存储器技术254

7.4.1 虚拟存储器的基本概念254

7.4.2 虚拟存储器的管理方式255

7.4.3 虚拟存储器的工作过程258

习题七259

第8章 系统总线及其互连结构262

8.1 计算机系统的互连结构262

8.2 总线的基本概念264

8.2.1 总线的作用及分类264

8.2.2 总线的特性与标准265

8.2.3 总线的连接方式266

8.2.4 总线的数据传送方式267

8.3 总线仲裁和协议268

8.3.1 总线仲裁268

8.3.2 总线协议270

8.4 PCI总线272

8.4.1 PCI总线的特点272

8.4.2 PCI总线信号定义274

8.4.3 PCI总线周期类型和操作279

8.4.4 PCI总线仲裁器285

8.5 外部通信总线286

8.5.1 RS-232C串行通信总线286

8.5.2 通用串行总线USB288

8.6 总线设计要素289

习题八289

第9章 输入／输出组成与设计290

9.1 输入／输出系统概述290

9.1.1 I/O接口的基本功能290

9.1.2 I/O接口的基本组成291

9.1.3 I/O设备的编址方式293

9.1.4 I/O接口的类型294

9.2 程序直接控制方式294

9.2.1 无条件传送方式295

9.2.2 程序查询方式295

9.2.3 程序查询方式的接口295

9.3 程序中断方式295

9.3.1 中断的基本概念及分类296

9.3.2 中断的请求和中断屏蔽298

9.3.3 中断响应和中断处理301

9.3.4 中断判优和多重中断303

9.3.5 程序中断设备接口和工作原理308

9.4 直接存储器访问（DMA）方式309

9.4.1 DMA方式的基本概念309

9.4.2 DMA控制器组成310

9.4.3 DMA传送过程311

9.4.4 DMA传输方式313

9.4.5 DMA控制器与系统的连接方式314

9.5 通道控制方式和输入／输出处理机315

9.5.1 I/O通道的基本概念315

9.5.2 I/O通道的基本功能316

9.5.3 I/O通道的类型316

9.5.4 通道型I/O处理机（IOP）和外围处理机318

9.6 输入／输出（I/O）系统的设计319

习题九319

第10章 输入／输出（I/O）设备322

10.1 概述322

10.1.1 I/O设备的基本功能322

10.1.2 I/O设备的特点323

10.1.3 I/O设备的分类324

10.1.4 I/O设备与主机的连接325

10.2 输入设备325

10.2.1 键盘325

10.2.2 鼠标器328

10.2.3 触摸屏329

10.2.4 语音与文字输入系统331

10.2.5 数码相机333

10.2.6 数码摄像机334

10.3 输出设备334

10.3.1 CRT显示器334

10.3.2 液晶显示器342

10.3.3 等离子显示技术344

10.3.4 打印设备344

习题十351

第11章 流水技术与流水处理机352

11.1 指令重叠与先行控制352

11.1.1 重叠方式352

11.1.2 先行控制技术353

11.2 流水线的时空图与流水线的分类354

11.2.1 流水线的时空图354

11.2.2 流水线分类355

11.2.3 流水技术的特点357

11.3 流水线的性能357

11.3.1 吞吐率（throughput rate）357

11.3.2 加速比（speedup ratio）359

11.3.3 效率（efficiency）360

11.3.4 举例360

11.4 流水线的相关处理和控制机构362

11.4.1 局部相关及处理方法362

11.4.2 全局性相关及其处理366

11.4.3 流水机器的中断处理368

11.4.4 非线性流水线调度369

11.5 向量流水处理与向量流水处理机371

11.5.1 向量的流水处理371

11.5.2 向量流水处理机372

11.6 指令级高度并行的超级处理机375

11.6.1 超标量处理机375

11.6.2 超长指令字（VLIW）处理机376

11.6.3 超流水线处理机378

习题十一378

第12章 并行处理机与多处理机382

12.1 并行处理机382

12.1.1 并行处理机的基本结构382

12.1.2 并行处理机的特点385

12.1.3 并行处理机的算法385

12.2 并行处理机的互连网络与存储分配388

12.2.1 并行处理机互连网络的设计目标388

12.2.2 基本的单级互连网络389

12.2.3 多级互连网络392

12.2.4 并行处理机的质数存储系统398

12.3 多处理机系统400

12.3.1 多处理机系统的特点和分类400

12.3.2 多处理机Cache一致性问题及其解决方法403

12.4 多处理机的并行算法412

12.4.1 并行程序设计语言的特点412

12.4.2 并行程序设计模型412

12.4.3 并行程序设计算法413

12.5 多处理机的操作系统420

12.5.1 多处理机操作系统的复杂性和特点420

12.5.2 多处理机操作系统的类型422

12.6 多处理机实例与机群系统及计算模型简介424

习题十二428

参考文献431