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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1

1.3　计算机的软件系统4

1.3.1　系统软件4

1.3.2　应用软件5

1.4　计算机系统的多级层次结构5

1.5　计算机系统结构、组成和实现7

1.6　计算机的性能指标8

1.6.1　基本性能指标8

1.6.2　Amdahl定律10

1.7　计算机的发展简史11

1.8　计算机的分类与应用13

1.8.1　计算机的分类13

1.8.2　计算机的应用14

习题115

第2章　计算机中数的表示方法17

2.1　带符号数的表示方法17

2.1.1　原码表示法17

2.1.2　补码表示法18

2.1.3　反码表示法20

2.1.4　移码表示法21

2.2　数的定点表示与浮点表示22

2.2.1　数的定点表示22

2.2.2　数的浮点表示23

2.3　十进制数串的表示26

2.4　数据校验码28

2.4.1　奇偶校验码28

2.4.2　汉明检验码29

2.4.3　循环冗余校验码32

习题234

第3章　指令系统36

3.1　指令格式36

3.1.1　指令的地址码36

3.1.2　指令的操作码38

3.1.3　指令长度40

3.2　数据类型40

3.3　寻址方式41

3.4　指令类型与功能44

3.5　指令系统的设计45

3.5.1　对指令系统的基本要求45

3.5.2　指令格式的设计46

3.6　指令系统的发展和改进47

3.6.1　沿CISC方向发展和改进指令系统47

3.6.2　沿RISC方向发展和改进指令系统49

3.7　指令系统实例1:MIPS的指令系统50

3.8　指令系统实例2:UltraSPARC的指令系统55

3.8.1　UltraSPARC的寄存器56

3.8.2　UltraSPARC的数据表示59

3.8.3　UltraSPARC的数据寻址方式59

3.8.4　UltraSPARC的指令格式59

3.8.5　UltraSPARC的部分指令介绍60

习题365

第4章 中央处理器67

4.1　CPU的功能和组成67

4.1.1　CPU的功能67

4.1.2　CPU的基本组成68

4.1.3　指令执行的基本步骤68

4.2　关于模型机68

4.3　逻辑设计的约定和定时方法70

4.3.1　逻辑设计的约定70

4.3.2　定时方法70

4.4　实现MIPS的一个基本方案71

4.4.1　构建基本的数据通路71

4.4.2　ALU控制器75

4.4.3　单周期数据通路的控制器77

4.5　多周期实现方案80

4.5.1　为什么要采用多周期80

4.5.2　指令分步执行过程（按周期分步）80

4.6　控制器的设计85

4.6.1　控制器的组成86

4.6.2　控制方式与时序系统87

4.6.3　模型机控制器的设计88

习题491

第5章　微程序控制器93

5.1　微程序控制的基本原理93

5.2　微程序控制器的组成与工作过程94

5.3　微程序设计技术95

5.3.1　微指令的编码方法95

5.3.2　微指令格式97

5.3.3　微程序的顺序控制98

5.3.4　微指令的执行方式102

5.4　模型机的微程序控制器103

5.4.1　模型机的微指令格式103

5.4.2　构造微程序106

习题5108

第6章　运算方法与运算器109

6.1　逻辑运算与移位运算109

6.1.1　逻辑运算109

6.1.2　移位运算110

6.2　定点数的加减法运算113

6.2.1　补码加减法运算规则115

6.2.2　补码加减法运算的硬件实现116

6.2.3　溢出的判断116

6.3　定点数的乘除法运算118

6.3.1　原码乘法运算118

6.3.2　补码一位乘法121

6.3.3　阵列乘法器123

6.3.4　原码一位除法123

6.3.5　阵列除法器131

6.4　定点运算器的构成133

6.4.1　算术逻辑部件133

6.4.2　寄存器组134

6.4.3　运算器的基本结构135

6.5　浮点运算136

6.5.1　浮点加减运算136

6.5.2　浮点乘除法运算138

习题6139

第7章　存储器141

7.1　存储器概述141

7.1.1　存储器的分类141

7.1.2　主存储器的组成142

7.1.3　主存储器的主要技术指标143

7.2　随机存储器143

7.2.1　静态随机存储器143

7.2.2　动态随机存储器144

7.2.3　RAM芯片145

7.2.4　动态RAM的刷新149

7.3　只读存储器和闪速存储器151

7.3.1　只读存储器151

7.3.2　闪速存储器154

7.4　存储器的组成155

7.4.1　存储器组成155

7.4.2　信息在存储器中的存放方式156

7.5　并行主存系统158

7.5.1　单体多字存储器158

7.5.2　多体交叉存储器159

7.5.3　避免存储体冲突164

7.6　辅助存储器165

7.6.1　磁表面存储器165

7.6.2　磁盘存储器167

7.6.3　光盘存储器169

7.7　廉价磁盘冗余阵列170

7.7.1 RAID0172

7.7.2 RAID1173

7.7.3 RAID2174

7.7.4　RAID3174

7.7.5　RAID4175

7.7.6　RAID5176

7.7.7 RAID6176

7.7.8 RAID10与RAID01177

7.7.9　RAID的实现与发展178

习题7178

第8章 总线系统180

8.1　总线的概念180

8.1.1　总线的基本概念180

8.1.2　总线的分类183

8.1.3　总线的连接方式183

8.2　总线系统的工作原理186

8.2.1　主设备／从设备186

8.2.2　总线控制器186

8.2.3　总线的工作过程187

8.2.4　总线接口187

8.3　总线的仲裁、定时和数据传送188

8.3.1　总线的仲裁188

8.3.2　总线的定时191

8.3.3　总线的数据传送方式193

8.4　总线实例194

8.4.1　总线的标准化194

8.4.2　PCI总线195

8.4.3　ISA总线200

8.4.4　EISA总线201

8.4.5　VESA总线（VL总线）201

8.4.6　SCSI总线202

8.4.7　USB总线203

8.4.8　IEEE 1394总线204

8.4.9　EIA-RS-232-D总线207

习题8208

第9章　输入／输出系统210

9.1　I/O系统概述210

9.1.1 主机与外设之间的连接方式210

9.1.2　I/O设备的编址方式212

9.1.3　数据传送控制方式213

9.2　I/O接口214

9.3　程序查询方式216

9.4　中断系统216

9.4.1　中断的基本概念217

9.4.2　中断请求信号的建立、屏蔽与传送218

9.4.3　中断源的识别与判优219

9.4.4　中断响应与中断处理225

9.4.5　多重中断与中断屏蔽226

9.5　程序中断I/O控制方式229

9.6　直接存储器访问DMA方式230

9.6.1　DMA的基本概念230

9.6.2　DMA的传送方式230

9.6.3　DMA控制器的组成232

9.6.4　DMA的数据传送过程233

9.7　通道方式235

9.7.1　通道的作用和功能235

9.7.2　通道的工作过程236

9.7.3　通道的种类239

9.7.4　通道中的数据传送过程与流量分析241

习题9243

第10章　流水线技术246

10.1　流水线的基本概念246

10.1.1　什么是流水线246

10.1.2　流水线的分类247

10.2　流水线的性能指标251

10.2.1　流水线的吞吐率251

10.2.2　流水线的加速比254

10.2.3　流水线的效率254

10.2.4　流水线性能分析举例255

10.2.5　流水线设计中的若干问题257

10.3 流水线的相关与冲突258

10.3.1　一条经典的5段流水线258

10.3.2　相关与流水线冲突259

10.4　流水线的实现271

习题10275

第11章　存储层次277

11.1　存储系统的层次结构277

11.1.1　存储系统的层次结构277

11.1.2　存储系统的性能参数278

11.1.3　三级存储系统279

11.1.4　存储层次的四个问题281

11.2　Cache基本知识281

11.2.1　基本结构和原理281

11.2.2　映像规则282

11.2.3　查找方法284

11.2.4　Cache的工作过程286

11.2.5　替换算法288

11.2.6　写策略289

11.2.7　Cache性能分析290

11.2.8　改进Cache性能293

11.3　降低Cache不命中率293

11.3.1　编译器控制的预取295

11.3.2　编译优化295

11.3.3　“牺牲”Cache296

11.4　减少Cache不命中开销297

11.4.1　采用两级Cache297

11.4.2　让读不命中优先于写298

11.4.3　写缓冲合并298

11.4.4　请求字处理技术299

11.4.5　非阻塞Cache技术299

11.5　减少命中时间299

11.5.1　容量小、结构简单的Cache300

11.5.2　虚拟Cache300

11.5.3　Cache访问流水化301

11.5.4　踪迹Cache301

习题11302

第12章　多处理机304

12.1　引言304

12.1.1 并行计算机系统结构的分类304

12.1.2　存储器系统结构和通信机制306

12.1.3　并行处理面临的挑战308

12.2　对称式共享存储器系统结构310

12.2.1　多处理机Cache一致性310

12.2.2　实现一致性的基本方案311

12.2.3 监听协议的基本实现技术314

12.3　分布式共享存储器系统结构316

12.3.1　目录协议的基本思想316

12.3.2　目录协议的实现318

12.4　同步319

12.5　同时多线程321

12.5.1 将线程级并行转换为指令级并行322

12.5.2 同时多线程处理器的设计324

12.5.3　同时多线程的性能325

12.6　多处理机实例：T1326

12.6.1　T1的结构326

12.6.2　T1的性能328

12.6.3　多核处理器的性能对比329

12.7　MPP和机群331

12.7.1　并行计算机系统结构331

12.7.2　大规模并行处理机333

12.7.3　机群系统335

习题12339

参考文献340