計算機組成與系統結構（第2版）

《計算機組成與系統結構（第2版）》是2015年清華大學出版社出版的圖書，作者是袁春風、楊若瑜、王帥 、唐傑。

基本介紹

• 中文名：計算機組成與系統結構（第2版）
• 作者：袁春風、楊若瑜、王帥、唐傑
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2015年08月01日
• 定價：44.5 元
• ISBN：9787302408642

內容簡介

本書主要介紹計算機組成與系統結構涉及的相關概念、理論和技術內容，主要包括指令集體系結構、數據的表示和存儲，以及實現指令集體系結構的計算機各部件的內部工作原理、組成結構及其相互連線關係。全書共9章： 第1章對計算機系統及其性能評價進行概述性介紹，第2、3章主要介紹數據的機器級表示、運算以及運算部件的結構與設計，第4~6章介紹指令系統以及各種CPU設計技術，第7章主要介紹包含主存、cache和虛擬存儲器在內的存儲器分層體系結構，第8章介紹匯流排互連以及輸入輸出系統，第9章介紹並行處理計算系統的基本硬體結構和並行程式設計編程模型。 本書內容詳盡，概念清楚，通俗易懂，實例豐富，並提供大量典型習題供讀者練習。

圖書目錄

CONTENTS第1章計算機系統概述1

1.1計算機的發展歷程1

*1.1.1通用電子計算機的誕生1

*1.1.2第一代計算機2

*1.1.3第二代計算機2

*1.1.4第三代計算機3

*1.1.5第四代計算機3

1.2計算機系統的基本組成4

1.2.1計算機硬體4

1.2.2計算機軟體8

1.3計算機系統的層次結構8

1.3.1計算機系統抽象層的轉換9

1.3.2計算機系統的不同用戶10

1.4程式開發與執行過程12

1.4.1從源程式到可執行程式12

1.4.2執行檔的啟動和執行14

1.4.3程式與指令的關係15

1.4.4指令的執行過程16

1.5計算機系統性能評價17

1.5.1計算機性能的定義18

1.5.2計算機性能的測試18

1.5.3用指令執行速度進行性能評估20

1.5.4用基準程式進行性能評估21

1.6本章小結 22

習題23

第2章數據的機器級表示25

2.1數制和編碼25

*2.1.1信息的二進制編碼25

*2.1.2進位記數制27

2.1.3定點與浮點表示31

2.1.4定點數的編碼表示31

目錄計算機組成與系統結構（第2版）2.2整數的表示36

2.2.1無符號整數的表示36

2.2.2帶符號整數的表示36

2.2.3C語言中的整數類型36

2.3實數的表示38

2.3.1浮點數的表示格式38

2.3.2浮點數的規格化39

2.3.3IEEE 754浮點數標準39

2.3.4C語言中的浮點數類型44

2.4十進制數的表示45

*2.4.1用ASCII碼字元表示45

*2.4.2用BCD碼錶示46

2.5非數值數據的編碼表示46

2.5.1邏輯值46

*2.5.2西文字元47

*2.5.3漢字字元48

2.6數據的寬度和存儲50

2.6.1數據的寬度和單位50

2.6.2數據的存儲和排列順序51

2.7數據校驗碼54

2.7.1奇偶校驗碼55

2.7.2海明校驗碼56

2.7.3循環冗餘校驗碼60

2.8本章小結62

習題62

第3章運算方法和運算部件66

3.1高級語言和機器指令中的運算66

*3.1.1C程式中涉及的運算66

*3.1.2MIPS指令中涉及的運算69

3.2基本運算部件70

3.2.1串列進位加法器71

3.2.2並行進位加法器72

3.2.3帶標誌加法器73

3.2.4算術邏輯部件74

3.3定點數運算75

3.3.1補碼加減運算75

*3.3.2原碼加減運算77

*3.3.3移碼加減運算77

3.3.4原碼乘法運算78

3.3.5補碼乘法運算81

*3.3.6快速乘法器83

3.3.7原碼除法運算85

*3.3.8補碼除法運算90

3.4浮點數運算93

3.4.1浮點數加減運算93

*3.4.2浮點數乘除運算97

3.5運算部件的組成100

*3.5.1定點運算部件100

*3.5.2浮點運算部件102

3.6本章小結103

習題104

第4章指令系統107

4.1指令格式設計107

4.1.1指令地址碼的個數107

4.1.2指令格式設計原則108

4.2指令系統設計108

4.2.1基本設計問題109

4.2.2運算元類型110

4.2.3定址方式110

4.2.4操作類型112

4.2.5操作碼編碼114

4.2.6標誌信息的生成與使用116

4.2.7指令系統設計風格118

4.3指令系統實例120

*4.3.1IA32指令系統120

*4.3.2ARM指令系統123

4.4程式的機器級表示125

4.4.1MIPS彙編語言和機器語言125

*4.4.2選擇結構的機器代碼表示129

*4.4.3循環結構的機器代碼表示130

*4.4.4過程調用的機器代碼表示131

4.5本章小結138

習題139

第5章中央處理器142

5.1CPU概述142

5.1.1指令執行過程142

5.1.2CPU的基本功能和基本組成143

5.1.3數據通路的基本結構144

5.2單周期處理器設計152

5.2.1指令功能的描述153

5.2.2數據通路的設計154

5.2.3控制邏輯單元的設計162

5.2.4時鐘周期的確定168

5.3多周期處理器設計169

*5.3.1信號競爭問題169

*5.3.2指令執行狀態分析170

*5.3.3硬連線路控制器設計172

5.4微程式控制器設計175

5.4.1微程式控制器的結構175

*5.4.2微命令編碼176

*5.4.3微指令地址的確定181

5.5異常和中斷處理184

5.5.1基本概念184

5.5.2異常處理過程186

*5.5.3帶異常處理的處理器設計187

5.6本章小結189

習題190

第6章指令流水線194

6.1流水線概述194

6.1.1流水線的執行效率194

6.1.2適合流水線的指令集特徵195

6.2流水線處理器的實現196

6.2.1每條指令的流水段分析196

6.2.2流水線數據通路的設計197

6.2.3流水線控制器的設計202

6.3流水線冒險及其處理203

6.3.1結構冒險203

6.3.2數據冒險205

6.3.3控制冒險211

6.4高級流水線技術219

*6.4.1靜態多發射處理器220

*6.4.2動態多發射處理器223

*6.4.3Pentium 4處理器的流水線結構227

6.5本章小結230

習題232

第7章存儲器分層體系結構235

7.1存儲器概述235

7.1.1存儲器的分類235

7.1.2主存儲器的組成和基本操作236

7.1.3存儲器的主要性能指標237

7.1.4存儲器的層次化結構238

7.2半導體隨機存取存儲器239

7.2.1基本存儲元件239

7.2.2SRAM晶片和DRAM晶片240

7.2.3SDRAM晶片技術244

7.3存儲器晶片的擴展及其與CPU的連線245

7.3.1記憶體條和記憶體條插槽245

7.3.2存儲器晶片的擴展247

7.4半導體唯讀存儲器和Flash存儲器248

7.4.1半導體唯讀存儲器248

7.4.2半導體Flash存儲器248

7.5並行存儲器結構技術250

7.5.1雙口存儲器250

7.5.2多模組存儲器250

7.6高速緩衝存儲器252

7.6.1程式訪問的局部性253

7.6.2cache的基本工作原理255

7.6.3cache行和主存塊之間的映射方式257

7.6.4cache中主存塊的替換算法264

7.6.5cache的一致性問題267

*7.6.6cache性能評估268

*7.6.7影響cache性能的因素269

*7.6.8cache 結構舉例272

7.7虛擬存儲器274

*7.7.1進程與進程的上下文切換274

*7.7.2存儲器管理275

7.7.3虛擬地址空間277

7.7.4虛擬存儲器的實現279

*7.7.5存儲保護286

7.8本章小結287

習題288

第8章互連及輸入輸出組織294

8.1外部設備的分類與特點294

8.1.1外設的分類294

8.1.2外設的特點295

8.2輸入設備和輸出設備295

*8.2.1鍵盤295

*8.2.2滑鼠器297

*8.2.3印表機297

*8.2.4顯示器299

8.3外部存儲設備301

8.3.1磁表面存儲原理301

8.3.2硬磁碟存儲器303

8.3.3冗餘磁碟陣列307

8.3.4隨身碟和固態硬碟309

8.4外設與CPU、主存的互連310

8.4.1匯流排概述310

8.4.2基於匯流排的互連結構312

8.5I/O接口317

8.5.1I/O接口的功能317

8.5.2I/O接口的通用結構317

8.5.3I/O連線埠及其編址319

8.6I/O數據傳送控制方式320

8.6.1程式直接控制I/O方式320

8.6.2程式中斷I/O方式323

8.6.3DMA方式 333

8.7I/O子系統概述336

8.8核心空間I/O軟體339

8.8.1與設備無關的I/O軟體339

8.8.2設備驅動程式341

8.8.3中斷服務程式342

8.9本章小結344

習題345

*第9章並行處理系統349

9.1並行處理系統概述349

9.1.1並行處理的主要技術問題349

9.1.2並行處理系統的分類351

9.2多處理器系統353

9.2.1UMA多處理器結構354

9.2.2NUMA多處理器結構356

9.2.3多處理器系統中的互連網路358

9.2.4片級多處理器和多執行緒技術359

9.3多計算機系統360

9.3.1集群多計算機系統360

9.3.2格線多計算機系統364

9.4向量處理機和SIMD技術364

9.4.1向量處理機364

9.4.2Intel架構中的SIMD技術366

9.4.3GPU架構368

9.5並行處理編程模式簡介371

9.6本章小結374

參考文獻376

目錄計算機組成與系統結構（第2版）2.2整數的表示36

2.2.1無符號整數的表示36

2.2.2帶符號整數的表示36

2.2.3C語言中的整數類型36

2.3實數的表示38

2.3.1浮點數的表示格式38

2.3.2浮點數的規格化39

2.3.3IEEE 754浮點數標準39

2.3.4C語言中的浮點數類型44

2.4十進制數的表示45

*2.4.1用ASCII碼字元表示45

*2.4.2用BCD碼錶示46

2.5非數值數據的編碼表示46

2.5.1邏輯值46

*2.5.2西文字元47

*2.5.3漢字字元48

2.6數據的寬度和存儲50

2.6.1數據的寬度和單位50

2.6.2數據的存儲和排列順序51

2.7數據校驗碼54

2.7.1奇偶校驗碼55

2.7.2海明校驗碼56

2.7.3循環冗餘校驗碼60

2.8本章小結62

習題62

第3章運算方法和運算部件66

3.1高級語言和機器指令中的運算66

*3.1.1C程式中涉及的運算66

*3.1.2MIPS指令中涉及的運算69

3.2基本運算部件70

3.2.1串列進位加法器71

3.2.2並行進位加法器72

3.2.3帶標誌加法器73

3.2.4算術邏輯部件74

3.3定點數運算75

3.3.1補碼加減運算75

*3.3.2原碼加減運算77

*3.3.3移碼加減運算77

3.3.4原碼乘法運算78

3.3.5補碼乘法運算81

*3.3.6快速乘法器83

3.3.7原碼除法運算86

*3.3.8補碼除法運算90

3.4浮點數運算93

3.4.1浮點數加減運算93

*3.4.2浮點數乘除運算97

3.5運算部件的組成100

*3.5.1定點運算部件100

*3.5.2浮點運算部件102

3.6本章小結103

習題103

第4章指令系統107

4.1指令格式設計107

4.1.1指令地址碼的個數107

4.1.2指令格式設計原則108

4.2指令系統設計108

4.2.1基本設計問題109

4.2.2運算元類型110

4.2.3定址方式110

4.2.4操作類型115

4.2.5操作碼編碼114

4.2.6標誌信息的生成與使用116

4.2.7指令系統設計風格118

4.3指令系統實例120

*4.3.1IA32指令系統120

*4.3.2ARM指令系統123

4.4程式的機器級表示125

4.4.1MIPS彙編語言和機器語言125

*4.4.2選擇結構的機器代碼表示129

*4.4.3循環結構的機器代碼表示130

*4.4.4過程調用的機器代碼表示131

4.5本章小結138

習題139

第5章中央處理器142

5.1CPU概述142

5.1.1指令執行過程142

5.1.2CPU的基本功能和基本組成143

5.1.3數據通路的基本結構144

5.2單周期處理器設計152

5.2.1指令功能的描述153

5.2.2數據通路的設計154

5.2.3控制邏輯單元的設計162

5.2.4時鐘周期的確定168

5.3多周期處理器設計169

*5.3.1信號競爭問題169

*5.3.2指令執行狀態分析170

*5.3.3硬連線路控制器設計172

5.4微程式控制器設計175

5.4.1微程式控制器的結構175

*5.4.2微命令編碼176

*5.4.3微指令地址的確定181

5.5異常和中斷處理184

5.5.1基本概念184

5.5.2異常處理過程186

*5.5.3帶異常處理的處理器設計187

5.6本章小結189

習題190

第6章指令流水線194

6.1流水線概述194

6.1.1流水線的執行效率194

6.1.2適合流水線的指令集特徵195

6.2流水線處理器的實現196

6.2.1每條指令的流水段分析196

6.2.2流水線數據通路的設計197

6.2.3流水線控制器的設計202

6.3流水線冒險及其處理203

6.3.1結構冒險203

6.3.2數據冒險205

6.3.3控制冒險211

6.4高級流水線技術219

*6.4.1靜態多發射處理器220

*6.4.2動態多發射處理器223

*6.4.3Pentium 4處理器的流水線結構227

6.5本章小結230

習題232

第7章存儲器分層體系結構235

7.1存儲器概述235

7.1.1存儲器的分類235

7.1.2主存儲器的組成和基本操作236

7.1.3存儲器的主要性能指標237

7.1.4存儲器的層次化結構238

7.2半導體隨機存取存儲器239

7.2.1基本存儲元件239

7.2.2SRAM晶片和DRAM晶片240

7.2.3SDRAM晶片技術244

7.3存儲器晶片的擴展及其與CPU的連線245

7.3.1記憶體條和記憶體條插槽245

7.3.2存儲器晶片的擴展247

7.4半導體唯讀存儲器和Flash存儲器248

7.4.1半導體唯讀存儲器248

7.4.2半導體Flash存儲器248

7.5並行存儲器結構技術250

7.5.1雙口存儲器250

7.5.2多模組存儲器250

7.6高速緩衝存儲器252

7.6.1程式訪問的局部性253

7.6.2cache的基本工作原理255

7.6.3cache行和主存塊之間的映射方式257

7.6.4cache中主存塊的替換算法264

7.6.5cache的一致性問題267

7.6.6cache性能評估268

*7.6.7影響cache性能的因素269

*7.6.8cache 結構舉例272

7.7虛擬存儲器274

*7.7.1進程與進程的上下文切換274

*7.7.2存儲器管理275

7.7.3虛擬地址空間277

7.7.4虛擬存儲器的實現279

*7.7.5存儲保護285

7.8本章小結287

習題287

第8章互連及輸入輸出組織293

8.1外部設備的分類與特點293

8.1.1外設的分類293

8.1.2外設的特點294

8.2輸入設備和輸出設備294

*8.2.1鍵盤294

*8.2.2滑鼠器296

*8.2.3印表機296

*8.2.4顯示器298

8.3外部存儲設備300

8.3.1磁表面存儲原理300

8.3.2硬磁碟存儲器302

8.3.3冗餘磁碟陣列306

8.3.4隨身碟和固態硬碟308

8.4外設與CPU、主存的互連309

8.4.1匯流排概述309

8.4.2基於匯流排的互連結構311

8.5I/O接口316

8.5.1I/O接口的功能316

8.5.2I/O接口的通用結構316

8.5.3I/O連線埠及其編址318

8.6I/O數據傳送控制方式319

8.6.1程式直接控制I/O方式319

8.6.2程式中斷I/O方式322

8.6.3DMA方式 332

8.7I/O子系統概述335

8.8核心空間I/O軟體338

8.8.1與設備無關的I/O軟體338

8.8.2設備驅動程式340

8.8.3中斷服務程式341

8.9本章小結343

習題344

第9章並行處理系統348

9.1並行處理系統概述348

9.1.1並行處理的主要技術問題348

9.1.2並行處理系統的分類350

9.2多處理器系統352

9.2.1UMA多處理器結構353

9.2.2NUMA多處理器結構355

9.2.3多處理器系統中的互連網路357

9.2.4片級多處理器和多執行緒技術358

9.3多計算機系統359

9.3.1集群多計算機系統359

9.3.2格線多計算機系統363

9.4向量處理機和SIMD技術363

9.4.1向量處理機363

9.4.2Intel架構中的SIMD技術365

9.4.3GPU架構367

9.5並行處理編程模式簡介370

9.6本章小結373

參考文獻375

第1章計算機系統概述1

1.1計算機的發展歷程1

1.1.1通用電子計算機的誕生1

1.1.2第一代計算機2

1.1.3第二代計算機2

1.1.4第三代計算機3

1.1.5第四代計算機3

1.2計算機系統的基本組成4

1.2.1計算機硬體4

1.2.2計算機軟體8

1.3計算機系統的層次結構8

1.3.1計算機系統抽象層的轉換9

1.3.2計算機系統的不同用戶10

1.4程式開發與執行過程11

1.4.1從源程式到可執行程式11

1.4.2執行檔的啟動和執行13

1.4.3程式與指令的關係14

1.4.4指令的執行過程15

1.5計算機系統性能評價16

1.5.1計算機性能的定義17

1.5.2計算機性能的測試17

1.5.3用指令執行速度進行性能評估19

1.5.4用基準程式進行性能評估20

1.6本章小結 21

習題22

第2章數據的機器級表示24

2.1數制和編碼24

2.1.1信息的二進制編碼24

2.1.2進位記數制26

2.1.3定點與浮點表示30

2.1.4定點數的編碼表示30

目錄計算機組成與系統結構（第2版）2.2整數的表示35

2.2.1無符號整數的表示35

2.2.2帶符號整數的表示35

2.2.3C語言中的整數類型35

2.3實數的表示37

2.3.1浮點數的表示格式37

2.3.2浮點數的規格化38

2.3.3IEEE 754浮點數標準38

2.3.4C語言中的浮點數類型43

2.4十進制數的表示44

2.4.1用ASCII碼字元表示44

2.4.2用BCD碼錶示45

2.5非數值數據的編碼表示45

2.5.1邏輯值45

2.5.2西文字元46

2.5.3漢字字元47

2.6數據的寬度和存儲49

2.6.1數據的寬度和單位49

2.6.2數據的存儲和排列順序50

2.7數據校驗碼53

2.7.1奇偶校驗碼54

2.7.2海明校驗碼55

2.7.3循環冗餘校驗碼59

2.8本章小結61

習題61

第3章運算方法和運算部件65

3.1高級語言和機器指令中的運算65

3.1.1C程式中涉及的運算65

3.1.2MIPS指令中涉及的運算68

3.2基本運算部件69

3.2.1串列進位加法器70

3.2.2並行進位加法器71

3.2.3帶標誌加法器72

3.2.4算術邏輯部件73

3.3定點數運算74

3.3.1補碼加減運算74

3.3.2原碼加減運算76

3.3.4原碼乘法運算77

3.3.5補碼乘法運算80

3.3.6快速乘法器82

3.3.7原碼除法運算85

3.3.8補碼除法運算89

3.4浮點數運算92

3.4.1浮點數加減運算92

3.4.2浮點數乘除運算96

3.5運算部件的組成99

3.5.1定點運算部件99

3.5.2浮點運算部件101

3.6本章小結102

習題102

第4章指令系統106

4.1指令格式設計106

4.1.1指令地址碼的個數106

4.1.2指令格式設計原則107

4.2指令系統設計107

4.2.1基本設計問題108

4.2.2運算元類型109

4.2.3定址方式109

4.2.5操作碼編碼113

4.2.6標誌信息的生成與使用115

4.2.7指令系統設計風格117

4.3指令系統實例119

4.3.1IA32指令系統119

4.3.2ARM指令系統122

4.4程式的機器級表示124

4.4.1MIPS彙編語言和機器語言124

4.4.2選擇結構的機器代碼表示128

4.4.3循環結構的機器代碼表示129

4.4.4過程調用的機器代碼表示130

4.5本章小結137

習題138

第5章中央處理器141

5.1CPU概述141

5.1.1指令執行過程141

5.1.2CPU的基本功能和基本組成142

5.1.3數據通路的基本結構143

5.2單周期處理器設計151

5.2.1指令功能的描述152

5.2.2數據通路的設計153

5.2.3控制邏輯單元的設計161

5.2.4時鐘周期的確定167

5.3多周期處理器設計168

5.3.1信號競爭問題168

5.3.2指令執行狀態分析169

5.3.3硬連線路控制器設計171

5.4微程式控制器設計174

5.4.1微程式控制器的結構174

5.4.2微命令編碼175

5.4.3微指令地址的確定180

5.5異常和中斷處理183

5.5.1基本概念183

5.5.2異常處理過程185

5.5.3帶異常處理的處理器設計186

5.6本章小結188

習題189

第6章指令流水線193

6.1流水線概述193

6.1.1流水線的執行效率193

6.1.2適合流水線的指令集特徵194

6.2流水線處理器的實現195

6.2.1每條指令的流水段分析195

6.2.2流水線數據通路的設計196

6.2.3流水線控制器的設計201

6.3流水線冒險及其處理202

6.3.1結構冒險202

6.3.2數據冒險204

6.3.3控制冒險210

6.4高級流水線技術218

6.4.1靜態多發射處理器219

6.4.2動態多發射處理器222

6.4.3Pentium 4處理器的流水線結構226

6.5本章小結229

習題231

第7章存儲器分層體系結構234

7.1存儲器概述234

7.1.1存儲器的分類234

7.1.2主存儲器的組成和基本操作235

7.1.3存儲器的主要性能指標236

7.1.4存儲器的層次化結構237

7.2半導體隨機存取存儲器238

7.2.1基本存儲元件238

7.2.2靜態SRAM晶片和DRAM晶片239

7.2.3SDRAM晶片技術243

7.3存儲器晶片的擴展及其與CPU的連線244

7.3.1記憶體條和記憶體條插槽244

7.3.2存儲器晶片的擴展246

7.4半導體唯讀存儲器和Flash存儲器247

7.4.1半導體唯讀存儲器247

7.4.2半導體Flash存儲器247

7.5並行存儲器結構技術249

7.5.1雙口存儲器249

7.5.2多模組存儲器249

7.6高速緩衝存儲器251

7.6.1程式訪問的局部性252

7.6.2cache的基本工作原理254

7.6.3cache行和主存塊之間的映射方式256

7.6.4cache中主存塊的替換算法263

7.6.5cache的一致性問題266

7.6.6cache性能評估267

7.6.7影響cache性能的因素268

7.6.8cache 結構舉例271

7.7虛擬存儲器273

7.7.1進程與進程的上下文切換273

7.7.2存儲器管理274

7.7.3虛擬地址空間276

7.7.4虛擬存儲器的實現278

7.7.5存儲保護284

7.8本章小結286

習題286

第8章互連及輸入輸出組織292

8.1外部設備的分類與特點292

8.1.1外設的分類292

8.1.2外設的特點293

8.2輸入設備和輸出設備293

8.2.1鍵盤293

8.2.2滑鼠器295

8.2.3印表機295

8.2.4顯示器297

8.3外部存儲設備299

8.3.1磁表面存儲原理299

8.3.2硬磁碟存儲器301

8.3.3冗餘磁碟陣列305

8.3.4隨身碟和固態硬碟307

8.4外設與CPU、主存的互連308

8.4.1匯流排概述308

8.4.2基於匯流排的互連結構310

8.5I/O接口315

8.5.1I/O接口的功能315

8.5.2I/O接口的通用結構315

8.5.3I/O連線埠及其編址317

8.6I/O數據傳送控制方式318

8.6.1程式直接控制I/O方式318

8.6.2程式中斷I/O方式321

8.6.3DMA方式 331

8.7I/O子系統概述334

8.8核心空間I/O軟體337

8.8.1與設備無關的I/O軟體337

8.8.2設備驅動程式339

8.8.3中斷服務程式340

8.9本章小結342

習題343

第9章並行處理系統347

9.1並行處理系統概述347

9.1.1並行處理的主要技術問題347

9.1.2並行處理系統的分類349

9.2多處理器系統351

9.2.1UMA多處理器結構352

9.2.2NUMA多處理器結構354

9.2.3多處理器系統中的互連網路356

9.2.4片級多處理器和多執行緒技術357

9.3多計算機系統358

9.3.1集群多計算機系統358

9.3.2格線多計算機系統362

9.4向量處理機和SIMD技術362

9.4.1向量處理機362

9.4.2Intel架構中的SIMD技術364

9.4.3GPU架構366

9.5並行處理編程模式簡介369

9.6本章小結372

參考文獻374

第1章計算機系統概述1

1.1計算機系統的基本組成及其層次結構1

1.2計算機硬體的5個功能部件及其功能4

1.3計算機系統主要的技術與性能指標7

1.4計算機的體系結構、組成和實現概述9

1.5計算機發展進步、分類和拓展套用的進程10

本章內容小結和學習方法建議13

習題與思考題14

第2章數字電路基礎和常用器件15

2.1數字電路的基本元件15

2.1.1晶體二極體與三極體15

2.1.2套用案例16

2.2數字電路基礎及其相關處理方法18

2.2.13種基本邏輯關係18

2.2.2邏輯函式及其描述方法21

2.2.3邏輯函式的特性、規則與套用22

2.3組合邏輯電路及時序邏輯電路23

2.3.1常用邏輯門器件23

2.3.2時序邏輯電路26

2.3.3存儲器晶片簡介30

2.3.4幾個專用功能器件和存儲器晶片的引腳圖30

2.4現場可程式邏輯器件及其套用31

2.4.1現場可程式器件概述31

2.4.2CPLD和FPGA的編程與套用34

本章內容小結和學習方法建議35

習題與思考題35

第3章數據表示、運算算法和線路實現37

3.1數位化信息編碼的概念和二進制編碼知識37

3.1.1數位化信息編碼的概念37

3.1.2二進制編碼和碼制轉換38

3.1.3檢錯糾錯碼44

3.2數據表示48

3.2.1邏輯類型數據的表示48

3.2.2字元類型數據的表示48

3.2.3多媒體信息編碼51

3.2.4數值類型數據的表示53

3.3二進制數值數據的編碼方案與運算算法58

3.3.1原碼、反碼、補碼的定義58

3.3.2補碼加、減運算規則和電路實現62

3.3.3原碼一位乘法、除法的實現方案64

3.3.4實現乘法、除法的其他方案69

本章內容小結和學習方法建議74

習題與思考題75

目錄計算機組成與體系結構（第2版）第4章運算器部件77

4.1算術邏輯運算單元的功能設計與線路實現77

4.2定點運算器79

4.2.1定點運算器部件的功能、組成與控制概述79

4.2.2運算器晶片Am2901實例與使用80

4.2.3MIPS多指令周期CPU系統的運算器的組成及其功能84

4.2.4簡化TEC2000計算機的運算器部件的功能、組成與設計85

4.3浮點運算和浮點運算器91

4.3.1浮點數的運算規則91

4.3.2浮點運算器舉例95

本章內容小結和學習方法建議97

習題與思考題98

第5章指令系統和彙編語言程式設計101

5.1指令格式和指令系統概述101

5.1.1指令的定義和指令格式101

5.1.2操作碼的組織與編碼102

5.1.3運算元的指定與使用103

5.1.4指令的分類104

5.1.5指令周期及其對計算機性能和硬體結構的影響105

5.2基本定址方式概述107

5.3指令系統舉例109

5.3.1Pentium Ⅱ計算機的指令系統110

5.3.2MIPS32計算機的指令系統112

5.3.3PDP11計算機的指令系統113

5.3.4TEC2000 計算機的指令系統115

5.4TEC2000計算機的彙編語言程式設計118

5.4.1彙編語言及其程式設計中的有關概念118

5.4.2教學計算機的彙編程式設計舉例120

本章內容小結和學習方法建議125

習題與思考題126

第6章控制器128

6.1控制器的功能與組成概述128

6.2硬連線控制器129

6.2.1硬連線控制器的組成和運行原理簡介130

6.2.2MIPS32計算機的控制器簡介131

6.2.3TEC2000和THFPGA計算機控制器概述136

6.2.4簡化TEC2000的CPU系統的設計146

6.3微程式控制器部件157

6.3.1微程式控制器的基本組成和運行原理157

6.3.2微程式設計中的下地址形成邏輯和微程式設計160

本章內容小結和學習方法建議163

習題與思考題164

第7章多級結構存儲器系統和主存儲器168

7.1存儲器系統概述168

7.1.1存儲器分類168

7.1.2存儲器系統目標169

7.1.3多級結構存儲器系統171

7.2主存儲器172

7.2.1主存儲器概述172

7.2.2動態存儲器的存儲原理174

7.2.3靜態存儲器的存儲原理175

7.2.4存儲器容量擴展176

7.3教學計算機的主存儲器實例178

7.4提高主存儲器性能的途徑181

本章內容小結和學習方法建議183

習題與思考題183

第8章高速緩衝存儲器和虛擬存儲器185

8.1高速緩衝存儲器185

8.1.1Cache的運行原理185

8.1.2Cache的3種映像方式187

8.1.3Cache實用中的問題189

8.2虛擬存儲器部件192

8.2.1虛擬存儲器的概念介紹192

8.2.2段式存儲管理192

8.2.3頁式存儲管理193

本章內容小結和學習方法建議195

習題與思考題195

第9章外部存儲器設備198

9.1外存設備概述198

9.1.1主要技術指標198

9.1.2磁記錄原理與記錄方式199

9.2磁碟設備201

9.2.1磁記錄介質201

9.2.2磁碟驅動器202

9.2.3磁碟控制器203

9.3磁碟陣列204

9.4光碟設備207

9.4.1隻讀光碟207

9.4.2可刻光碟208

9.4.3可擦寫光碟210

9.4.4DVD210

9.4.5BluRay211

本章內容小結和學習方法建議211

習題與思考題211

第10章輸入輸出設備212

10.1輸入輸出設備概述212

10.2常用的輸入設備213

10.3常用的輸出設備215

10.3.1點陣式輸出設備基本原理215

10.3.2顯示器的組成和運行原理216

10.3.3印表機的組成和運行原理220

10.3.4計算機終端223

本章內容小結和學習方法建議224

習題與思考題224

第11章輸入輸出系統225

11.1計算機輸入輸出系統概述225

11.2計算機匯流排226

11.2.1匯流排概述226

11.2.2匯流排結構228

11.2.3匯流排寬度229

11.2.4匯流排時鐘230

11.2.5匯流排仲裁232

11.2.6匯流排舉例234

11.3輸入輸出接口240

11.3.1輸入輸出接口的功能240

11.3.2通用可程式接口組成240

11.3.3輸入輸出接口舉例241

11.4輸入輸出方式244

11.4.1程式直接控制方式244

11.4.2程式中斷傳送方式244

11.4.3直接存儲器訪問方式247

11.4.4I/O通道控制方式249

11.4.5外圍處理機方式249

本章內容小結和學習方法建議249

習題與思考題250

第12章流水線技術252

12.1流水線的基本概念252

12.1.1流水線的概念252

12.1.2流水線的表示方法254

12.1.3流水線的特點255

12.1.4流水線的分類方法256

12.2流水線的性能指標259

12.2.1流水線的吞吐率259

12.2.2流水線的加速比262

12.2.3流水線的效率262

12.2.4流水線的最佳段數263

12.3DLX指令集與DLX流水線263

12.3.1DLX指令集結構介紹263

12.3.2DLX的一種簡單實現268

12.3.3DLX流水線的實現原理270

12.4流水線中的相關問題273

12.4.1結構相關273

12.4.2數據相關275

12.4.3控制相關281

12.5指令級並行技術285

12.5.1基本概念285

12.5.2多指令發射技術286

本章內容小結和學習方法建議289

習題與思考題289

第13章並行計算機體系結構291

13.1並行計算機體系結構概述291

13.1.1計算機體系結構的發展291

13.1.2計算機體系結構的分類292

13.1.3並行計算機體系結構分類294

13.2並行計算機系統的設計問題295

13.2.1並行計算機系統的網際網路295

13.2.2並行計算機系統的性能問題300

13.2.3並行計算機系統的軟體問題302

13.3SIMD計算機簡介303

13.3.1陣列處理機303

13.3.2向量處理機304

13.4共享記憶體的多處理機系統306

13.4.1一致性記憶體訪問的UMA多處理機系統307

13.4.2非一致性記憶體訪問的NUMA多處理機系統312

13.4.3基於Cache記憶體訪問的COMA多處理機系統314

13.5基於訊息傳遞的多計算機系統314

13.5.1大規模並行處理機316

13.5.2工作站集群316

本章內容小結和學習方法建議317

習題與思考題318

主要參考書319