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第1章 计算机组成及其技术概论1

1.1 引言1

1.1.1 计算机应用分类及其特点2

1.1.2 读者能从本书中学到什么4

1.2 计算机语言与软件系统5

1.3 计算机硬件系统8

1.3.1 鼠标8

1.3.2 图形显示器9

1.3.3 主板及其所安装的硬件10

1.3.4 外存储器12

1.3.5 计算机网络14

1.4 集成电路及其发展15

1.5 计算机发展历史及发展阶段划分17

1.5.1 第一台电子计算机17

1.5.2 计算机的商业发展19

1.5.3 嵌入式计算机的发展19

1.5.4 计算机发展阶段及其年代划分20

1.6 本章小结21

1.7 关键术语中英文对照表22

1.8 习题23

第2章 基本逻辑电路27

2.1 概述27

2.2 门电路，真值表，以及逻辑等式27

2.2.1 真值表28

2.2.2 逻辑代数28

2.2.3 门电路29

2.3 组合逻辑30

2.3.1 译码器30

2.3.2 编码器31

2.3.3 多路选择器31

2.3.4 可编程逻辑阵列PLA（programmable logic array）—两级与或逻辑实现32

2.3.5 ROM35

2.3.6 无关项36

2.3.7 逻辑元件阵列37

2.4 时钟38

2.5 存储器与存储元器件40

2.5.1 触发器和锁存器40

2.5.2 寄存器文件42

2.5.3 SRAM44

2.5.4 DRAM47

2.5.5 差错的检查和纠正49

2.6 有限状态机50

2.6.1 有限状态机50

2.7 定时方法学53

2.7.1 电平触发定时55

2.7.2 异步输入和同步器55

2.8 小结57

2.9 关键术语中英文对照表57

2.10 习题58

第3章 指令系统61

3.1 概述61

3.2 计算机硬件的操作指令61

3.3 计算机硬件的操作数63

3.3.1 操作数在寄存器中63

3.3.2 存储器操作数—操作数在存储器中63

3.3.3 立即数操作数—指令格式中的常数66

3.4 计算机指令格式68

3.5 逻辑操作73

3.6 决策指令77

3.7 计算机硬件对子程序的支持83

3.8 计算机对字符的处理90

3.9 其他类型的MIPS寻址方式93

3.10 程序的运行过程100

3.10.1 编译101

3.10.2 汇编101

3.10.3 链接目标代码102

3.10.4 把程序装入内存中104

3.10.5 动态链接库105

3.11 编译器优化107

3.11.1 高层次优化108

3.11.2 局部优化和全局优化108

3.11.3 理解程序性能110

3.11.4 全局代码优化110

3.11.5 优化技术总结110

3.12 综合程序范例111

3.12.1 子程序swap111

3.12.2 子程序sort113

3.13 数组和指针的比较117

3.14 实例分析：IA32指令集120

3.14.1 IBM/Motorola PowerPC120

3.14.2 Intel IA32122

3.15 指令集发展历史128

3.15.1 累加器体系结构128

3.15.2 通用寄存器体系结构129

3.15.3 紧凑编码和堆栈体系结构130

3.15.4 高级语言计算机体系结构131

3.15.5 精简指令集计算机体系结构131

3.15.6 80x86的历史简介131

3.16 本章小结132

3.17 关键术语中英文对照表134

3.18 习题134

第4章 计算机算术143

4.1 概述143

4.2 有符号和无符号数143

4.3 加减法运算149

4.4 构造算术逻辑单元153

4.4.1 1位ALU154

4.4.2 32位ALU156

4.4.3 先行进位162

4.5 乘法166

4.5.1 乘法运算基本原理166

4.5.2 有符号数乘法172

4.5.3 快速乘法176

4.5.4 MIPS的乘法运算177

4.6 除法178

4.6.1 第一代除法算法和硬件实现179

4.6.2 第二代除法算法和硬件实现181

4.6.3 第三代除法算法和硬件实现182

4.6.4 有符号数除法183

4.6.5 快速除法184

4.6.6 MIPS除法指令184

4.7 浮点数运算187

4.7.1 浮点数的表示法187

4.7.2 浮点数加法191

4.7.3 浮点数乘法194

4.7.4 MIPS的浮点数指令196

4.7.5 精确运算201

4.7.6 浮点运算小结202

4.8 本章小结204

4.9 关键术语中英文对照表207

4.10 习题207

第5章 处理器：数据通路和控制器213

5.1 引言213

5.1.1 指令的执行过程214

5.1.2 逻辑约定和时钟216

5.1.3 MIPS指令子集的实现216

5.2 建立数据通路217

5.2.1 所需要的主要功能部件217

5.2.2 执行R类型指令所需的功能部件218

5.2.3 存取指令所需的功能部件219

5.2.4 条件转移指令所需的功能部件221

5.2.5 一个复合功能的数据通路222

5.3 一个简单的实施方案224

5.3.1 ALU控制单元设计225

5.3.2 设计主控制器228

5.3.3 指令执行过程分析——数据通路的操作231

5.3.4 设计单时钟周期控制器240

5.3.5 用门电路实现主控函数243

5.3.6 为什么不使用单时钟周期实现243

5.4 多时钟周期的实现245

5.4.1 多时钟周期数据通路及控制信号245

5.4.2 多时钟周期的指令执行过程252

5.4.3 多时钟周期CPU控制器设计256

5.5 微程序设计270

5.5.1 微指令的格式定义271

5.5.2 编写微程序273

5.5.3 实现微程序276

5.5.4 使用序列发生器实现后继状态函数277

5.5.5 微程序的硬件实现280

5.6 异常282

5.6.1 异常的概念282

5.6.2 异常的处理282

5.6.3 控制器对异常的检测285

5.7 本章小结286

5.8 关键字288

5.9 习题288

第6章 存储器层次结构293

6.1 引言293

6.2 Cache存储器的基本原理295

6.2.1 直接映射296

6.2.2 Cache的访问297

6.2.3 空间局部性原理的利用——多字块cache301

6.2.4 处理Cache失配303

6.2.5 写一致性处理策略304

6.2.6 Cache系统实例分析305

6.2.7 支持cache的存储器系统的设计方案306

6.3 评测与改进Cache性能309

6.3.1 Cache对处理器性能影响的定量分析309

6.3.2 Cache／主存映射方式311

6.3.3 定位Cache中的块315

6.3.4 Cache替换策略316

6.3.5 多级Cache316

6.4 虚拟存储器319

6.4.1 地址变换322

6.4.2 缺页中断324

6.4.3 写策略326

6.4.4 快查表326

6.4.5 实例分析：Intrinsity FastMATH TLB328

6.4.6 虚拟存储器、TLB、Cache之间的联系329

6.4.7 存储保护332

6.4.8 处理缺页中断和TLB失配333

6.4.9 小结338

6.5 存储层次的通用结构338

6.5.1 问题1：如何存放块？339

6.5.2 问题2：如何寻找块？340

6.5.3 问题3：发生Cache失配时选择哪个块被替换？341

6.5.4 问题4：如何处理写操作？342

6.5.5 Cs模型343

6.6 Pentium P4与AMD Opteron存储体系实例分析345

6.6.1 P4和Opteron的存储体系345

6.6.2 减少失配损失的技巧346

6.7 本章小结347

6.8 习题350

第7章 处理器和外部设备接口356

7.1 引言356

7.2 I/O设备系统358

7.2.1 鼠标358

7.2.2 磁盘存储器和可靠性359

7.3 网络367

7.3.1 局域网367

7.3.2 长距离网络367

7.3.3 无线局域网369

7.4 总线370

7.4.1 总线分类372

7.4.2 同步总线与异步总线374

7.4.3 增加总线带宽376

7.4.4 总线标准377

7.4.5 奔腾4总线与网络案例分析381

7.5 I/O设备与系统的接口382

7.5.1 向I/O设备发送命令与接口的主要功能383

7.5.2 I/O设备与处理器数据传输控制方式384

7.6 程序中断输入输出方式393

7.6.1 中断的作用、产生和响应393

7.6.2 中断处理395

7.7 DMA输入输出方式398

7.7.1 DMA三种工作方式399

7.7.2 DMA控制器组成399

7.7.3 DMA的数据传送过程400

7.8 I/O性能测量401

7.8.1 巨型计算机I/O基准测试程序402

7.8.2 事务处理基准测试程序402

7.8.3 文件系统I/O基准测试程序402

7.8.4 I/O性能与处理器性能比较403

7.9 设计I/O系统403

7.10 一个典型的I/O系统405

7.11 本章小结407

7.12 习题408

部分参考答案413

附录427