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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119

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238

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357

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485

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 80386/80486114

5.7.2 Pentium微处理器115

5.7.3 Alpha微处理器118

习题5119

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6137

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7169

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 RAID0206

8.8.2 RAID1207

8.8.3 RAID2207

8.8.4 RAID3208

8.8.5 RAID4209

8.8.6 RAID5210

8.8.7 RAID6210

8.8.8 RAID10与RAID01211

8.8.9 RAID的实现与发展211

习题8212

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9243

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10277

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11308

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12335

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：T1360

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13372

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14387

主要参考文献388