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第1章 概论1

1.1 计算机的发展历史1

1.1.1 更新换代的计算机硬件1

1.1.2 日臻完善的计算机软件2

1.2 计算机系统的硬件组成4

1.2.1 计算机的功能部件4

1.2.2 冯·诺依曼计算机5

1.3 计算机的软件系统7

1.3.1 系统软件7

1.3.2 应用软件8

1.4 计算机系统的组织结构8

1.4.1 硬件与软件的关系8

1.4.2 计算机系统的多级层次结构8

1.4.3 计算机硬件系统的组织9

1.5 计算机的工作特点和性能指标12

1.5.1 计算机的工作特点12

1.5.2 计算机的性能指标13

1.6 计算机的分类与应用14

1.6.1 计算机的分类14

1.6.2 计算机的应用15

习题17

第2章 计算机中数据信息的表示19

2.1 进位计数制与数制转换19

2.2 带符号数的表示21

2.2.1 机器数与真值21

2.2.2 原码表示22

2.2.3 补码表示23

2.2.4 反码表示27

2.2.5 移码表示28

2.3 数的定点表示与浮点表示30

2.3.1 定点表示30

2.3.2 浮点表示32

2.4 非数值型数据的表示37

2.4.1 逻辑数——二进制串37

2.4.2 字符与字符串37

2.4.3 汉字信息的表示39

2.5 十进制数串的表示41

2.6 数据的长度与存储方式43

2.6.1 数据的长度43

2.6.2 数据的存储方式45

2.7 数据校验码46

2.7.1 码距与数据校验码46

2.7.2 奇偶校验码47

2.7.3 海明校验码48

2.7.4 循环冗余校验码52

习题56

第3章 运算方法与运算器60

3.1 运算器的设计方法60

3.2 定点补码加减运算60

3.2.1 补码加减运算的基础60

3.2.2 溢出判断与变形补码63

3.2.3 算术逻辑运算部件65

3.3 定点乘法运算67

3.3.1 原码乘法运算68

3.3.2 补码乘法运算74

3.3.3 快速乘法运算77

3.4 定点除法运算79

3.4.1 原码除法运算80

3.4.2 补码除法运算85

3.4.3 阵列除法器91

3.5 浮点四则运算92

3.5.1 浮点加减运算92

3.5.2 浮点乘除运算96

3.6 运算器的组成100

3.6.1 定点运算器100

3.6.2 浮点运算器105

3.7 十进制数的加减运算方法106

3.7.1 一位十进制加法器的设计106

3.7.2 多位十进制整数的加减运算108

3.8 逻辑运算和移位操作109

3.8.1 逻辑运算109

3.8.2 移位操作110

习题113

第4章 存储器系统119

4.1 存储器概述119

4.1.1 存储器的分类119

4.1.2 主存储器的组成和基本操作120

4.1.3 存储器的主要技术指标121

4.1.4 存储器系统的层次结构122

4.2 半导体随机存储器123

4.2.1 半导体随机存储器的分类123

4.2.2 半导体随机存储器单元电路124

4.2.3 半导体随机存储器芯片的结构及实例126

4.2.4 半导体存储器的组成133

4.3 半导体只读存储器137

4.3.1 只读存储器的分类137

4.3.2 闪速存储器138

4.4 并行存储器140

4.4.1 双端口存储器140

4.4.2 并行主存系统141

4.4.3 相联存储器143

4.5 高速缓冲存储器144

4.5.1 Cache在存储体系中的地位和作用144

4.5.2 Cache的结构及工作原理145

4.5.3 Cache的替换算法与写策略150

4.6 虚拟存储器151

4.6.1 页式虚拟存储器152

4.6.2 段式虚拟存储器153

4.6.3 段页式虚拟存储器154

4.7 辅助存储器155

4.7.1 磁表面存储器的基本原理155

4.7.2 磁记录方式156

4.7.3 磁盘存储器158

4.7.4 光盘存储器162

4.7.5 固态硬盘167

4.8 廉价磁盘冗余阵列RAID167

4.8.1 RAID 0168

4.8.2 RAID 1168

4.8.3 RAID 2169

4.8.4 RAID 3169

4.8.5 RAID 4170

4.8.6 RAID 5171

4.8.7 RAID 6171

习题172

第5章 指令系统176

5.1 机器指令176

5.1.1 机器指令格式176

5.1.2 指令字的长度177

5.1.3 指令的地址码177

5.1.4 指令的操作码180

5.2 寻址方式182

5.2.1 指令的寻址方式182

5.2.2 操作数的寻址方式183

5.3 指令类型与功能192

5.3.1 数据传送指令193

5.3.2 算术逻辑运算指令194

5.3.3 移位指令194

5.3.4 堆栈操作指令195

5.3.5 字符串处理指令195

5.3.6 程序控制指令195

5.3.7 输入输出指令197

5.3.8 其他指令198

5.4 CISC机和RISC机指令风格198

5.4.1 复杂指令系统计算机CISC198

5.4.2 精简指令系统计算机RISC199

5.5 指令系统举例200

5.5.1 Pentium Ⅱ的指令系统200

5.5.2 MIPS的指令系统202

习题209

第6章 控制系统与CPU213

6.1 控制器概述213

6.1.1 指令执行的基本步骤213

6.1.2 控制器的基本功能213

6.1.3 控制器的组成215

6.1.4 控制器的组成方式217

6.2 控制器的控制方式与时序系统218

6.2.1 控制方式218

6.2.2 时序系统219

6.3 CPU的总体结构220

6.3.1 寄存器的设置221

6.3.2 数据通路结构及指令流程分析221

6.4 模型机的总体结构225

6.4.1 模型机的数据通路225

6.4.2 模型机的指令系统227

6.4.3 模型机的时序系统229

6.5 组合逻辑控制器设计230

6.5.1 设计的步骤230

6.5.2 模型机的设计231

6.6 微程序控制器设计244

6.6.1 微程序控制器概述244

6.6.2 微指令的编译方法247

6.6.3 微程序的顺序控制方式248

6.6.4 微指令的执行方式253

6.6.5 微程序设计方法255

6.6.6 微程序控制器设计步骤257

6.6.7 举例——模型机的微程序设计258

6.6.8 微程序设计技术的应用269

6.7 流水线处理技术270

6.7.1 指令的执行方式270

6.7.2 流水线的分类271

6.7.3 线性流水线的性能272

6.7.4 流水线的相关问题274

6.8 CPU举例275

6.8.1 Intel的Pentium处理器275

6.8.2 MIPS32 4K处理器核278

习题281

第7章 总线技术288

7.1 总线概述288

7.1.1 采用总线实现互连的优势288

7.1.2 总线的分类289

7.1.3 总线的标准289

7.1.4 总线的性能290

7.2 总线的组成与结构291

7.2.1 总线的组成291

7.2.2 总线的结构293

7.3 总线的设计要素与实现294

7.3.1 总线的设计要素294

7.3.2 总线的实现301

7.4 总线与计算机系统302

7.5 PCI总线306

7.5.1 PCI总线的概况306

7.5.2 PCI局部总线的信号定义309

7.5.3 PCI局部总线的操作313

7.6 通用串行总线328

7.6.1 USB总线的历史和使用概况328

7.6.2 USB总线的体系结构328

7.6.3 USB总线的事务和传输332

7.7 其他设备总线333

7.7.1 小型计算机系统接口333

7.7.2 ATA接口334

习题335

第8章 I/O设备338

8.1 I/O设备概述338

8.2 输入设备339

8.2.1 键盘339

8.2.2 鼠标342

8.2.3 触摸屏343

8.3 输出设备345

8.3.1 显示器346

8.3.2 打印机349

8.4 多媒体I/O设备357

8.4.1 音频设备357

8.4.2 视频设备359

8.4.3 图像设备361

习题362

第9章 I/O系统组织365

9.1 I/O系统概述365

9.1.1 I/O系统需要解决的主要问题365

9.1.2 I/O系统的组成365

9.1.3 主机与外围设备间的连接方式与组织管理366

9.1.4 I/O信息传送的控制方式367

9.2 I/O接口368

9.2.1 I/O接口的基本功能368

9.2.2 I/O接口的分类371

9.3 程序控制方式372

9.3.1 直接程序控制方式372

9.3.2 程序中断控制方式373

9.4 直接存储器访问方式389

9.4.1 DMA方式的特点与应用场合389

9.4.2 DMA的传送方式390

9.4.3 DMA的硬件组织392

9.4.4 DMA控制器的组成393

9.4.5 DMA控制方式下的数据传送过程394

9.5 I/O通道方式396

习题401

参考文献407