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第1章 计算机组成原理概论1

1.1　计算机系统的发展与应用1

1.1.1 计算机的产生1

1.1.2　计算机的发展3

1.1.3　微型计算机的发展6

1.1.4　计算机的应用9

1.2　计算机的分类和性能指标12

1.2.1 按计算机体系结构分类12

1.2.2　按计算机的用途分类14

1.2.3　按计算机的使用方式分类14

1.2.4　按计算机的规模分类15

1.2.5 计算机的性能指标16

1.3　计算机系统的基本组成18

1.3.1　计算机硬件系统19

1.3.2　计算机软件系统21

1.3.3 计算机系统的层次结构23

本章小结25

习题126

第2章 计算机硬件基础27

2.1 半导体器件的开关特性27

2.1.1　二极管的开关特性27

2.1.2　三极管的开关特性29

2.1.3 MOS管的开关特性30

2.2　基本逻辑运算和基本门电路30

2.2.1 逻辑变量和逻辑表达式30

2.2.2 逻辑门31

2.2.3　逻辑代数的基本定律35

2.2.4　逻辑函数的化简36

2.3　组合逻辑电路实例41

2.3.1 加法器42

2.3.2　算术逻辑部件45

2.3.3　译码器48

2.3.4　数据选择器50

2.4　时序逻辑电路51

2.4.1 触发器和锁存器51

2.4.2　寄存器53

2.4.3　移位寄存器53

2.4.4　计数器54

2.5　计算机芯片的制造过程58

2.5.1 制造芯片的准备阶段59

2.5.2　光刻蚀60

2.5.3　掺杂60

2.5.4　测试、切割和封装61

本章小结62

习题262

第3章 信息编码与数据表示65

3.1　数值数据的表示65

3.1.1　进位计数制65

3.1.2　不同数制之间数的相互转换67

3.1.3　十进制数的编码68

3.2　数据格式71

3.2.1　机器数71

3.2.2　小数点的表示方法72

3.3　定点机器数表示方法74

3.3.1　原码表示法74

3.3.2　补码表示法75

3.3.3　反码表示法77

3.3.4　移码表示法78

3.3.5 定点机器数转换79

3.4　浮点机器数表示方法81

3.4.1 浮点数的格式81

3.4.2　浮点数的规格化表示82

3.4.3 浮点数的表示范围84

3.5　非数值数据的表示85

3.5.1 字符编码85

3.5.2　汉字编码88

3.6　校验码91

3.6.1　奇偶校验码92

3.6.2　海明校验码93

3.6.3　循环冗余检验码95

3.7　现代计算机系统的数据表示99

本章小结100

习题3101

第4章 运算方法与运算器104

4.1 定点数的加减运算及实现104

4.1.1 补码加减运算及运算器104

4.1.2　机器数的移位运算108

4.1.3　移码加减运算与判溢110

4.1.4　十进制加法运算111

4.2　定点数的乘法运算及实现112

4.2.1 原码乘法及实现113

4.2.2　补码乘法及实现116

4.2.3　阵列乘法器120

4.3 定点数除法运算及实现122

4.3.1 原码除法及实现123

4.3.2　补码除法及实现127

4.3.3　阵列除法器131

4.4　定点运算器的组成与结构132

4.4.1 定点运算器的组成132

4.4.2　定点运算器的内部总线结构与通路133

4.4.3　标志寄存器136

4.5　浮点运算及运算器137

4.5.1 浮点加减运算137

4.5.2　浮点乘法运算142

4.5.3　浮点除法运算144

4.5.4　浮点运算器147

4.6　浮点运算器举例148

4.6.1　80×87算术协处理器148

4.6.2　浮点运算流水线154

本章小结155

习题4156

第5章 存储体系159

5.1　存储体系概述159

5.1.1 存储器的分类159

5.1.2　存储器的层次结构160

5.2　主存储器162

5.2.1 主存储器性能指标162

5.2.2　主存储器的工作原理163

5.2.3 随机读写存储器164

5.2.4　只读存储器174

5.2.5 高性能的主存储器176

5.3　主存储器与CPU的连接178

5.3.1　存储器芯片介绍179

5.3.2　存储容量的扩展180

5.3.3　主存储器与CPU的连接182

5.4　高速存储器187

5.4.1　双端口存储器187

5.4.2　多体交叉存储器189

5.4.3　相联存储器192

5.5　高速缓冲存储器193

5.5.1 Cache的基本原理194

5.5.2　主存与Cache的地址映射方式196

5.5.3 替换算法199

5.5.4　写策略200

5.5.5　Cache的多层次设计201

5.6　虚拟存储器204

5.7　外存储器206

5.7.1　磁盘存储器206

5.7.2 RAID209

5.7.3　光盘存储器213

5.7.4 闪存盘214

5.8　存储保护217

5.9　IA32架构的存储系统举例218

5.9.1 P6微架构下的Cache218

5.9.2　Intel NetBurst微架构下的Cache220

5.9.3　Intel Core微架构的多核高效内存管理技术221

本章小结224

习题5224

第6章 指令系统227

6.1 指令格式227

6.1.1　指令操作码与地址码227

6.1.2　指令字长和操作码扩展230

6.2　寻址方式231

6.2.1　指令寻址232

6.2.2　数据寻址232

6.3　指令类型238

6.4　指令系统概述240

6.4.1　指令系统的要求241

6.4.2　指令系统的发展241

6.4.3　CISC的特点242

6.4.4　RISC的特点243

6.4.5　指令系统举例244

本章小结252

习题6253

第7章 控制器256

7.1　控制器的组成及指令的执行256

7.1.1 计算机的基本组成和功能256

7.1.2　控制器的组成258

7.1.3　时序系统259

7.1.4　控制方式和时序的产生261

7.1.5 系统结构和数据通路的设计263

7.1.6　简单计算机系统主机各部件的实现方案266

7.1.7　指令的执行过程267

7.2　硬布线控制器273

7.2.1 控制器的设计方法273

7.2.2　硬布线控制器的结构与原理274

7.2.3　硬布线控制器的时序系统275

7.2.4　硬布线控制器设计举例277

7.3　微程序控制器285

7.3.1　微程序控制的基本概念和工作原理285

7.3.2　简单微程序控制器的设计287

7.3.3　微程序设计技术291

7.3.4　微程序控制方式下模型机的设计实例303

7.3.5　模型机微程序设计312

7.3.6　微程序控制器与硬布线控制器的比较317

本章小结318

习题7319

第8章 输入输出系统322

8.1 概述322

8.1.1 输入输出系统的构成322

8.1.2 外设与CPU的连接324

8.1.3　I/O指令格式325

8.2　输入输出接口326

8.2.1　I/O接口的功能326

8.2.2　I/O接口的组成327

8.3 主机与外设交换信息的方式329

8.3.1　程序查询方式329

8.3.2　程序中断方式330

8.3.3　直接存储器访问方式331

8.3.4　通道与输入输出处理机方式331

8.4　中断系统332

8.4.1 中断的基本概念332

8.4.2 中断请求与判优335

8.4.3 中断响应341

8.4.4 中断服务与返回343

本章小结346

习题8347

第9章 总线349

9.1　总线的基本概念349

9.1.1 总线的特性349

9.1.2　总线的分类350

9.1.3 总线的性能指标351

9.2　系统总线的结构352

9.3　总线信息的传送方式355

9.4　总线仲裁和定时356

9.4.1 总线仲裁356

9.4.2　总线的定时359

9.5　实用总线标准361

9.5.1 ISA总线361

9.5.2　EISA总线362

9.5.3 PCI总线362

9.5.4　PCI Express总线366

9.5.5 RS-232C/RS-485接口总线370

9.5.6　USB接口总线372

9.5.7　IEEE 1394接口总线374

本章小结374

习题9375

第10章 流水线与并行处理技术377

10.1　流水线原理377

10.1.1 流水线基本概念377

10.1.2　流水线分类379

10.1.3　流水线性能分析382

10.2　流水线相关及处理387

10.2.1 结构相关388

10.2.2　数据相关389

10.2.3 控制相关393

10.2.4　流水线的中断与处理398

10.3　流水线的调度方法399

10.3.1 非线性流水线的静态调度技术399

10.3.2　流水线的动态调度技术402

10.4　高级流水线技术406

10.4.1　超标量流水线技术407

10.4.2　超流水线技术413

10.4.3 超标量超流水线技术415

10.4.4　超长指令字技术416

10.4.5 向量流水技术418

10.5　并行处理技术426

10.5.1 并行处理技术的基本概念426

10.5.2　SIMD阵列处理机427

10.5.3 多处理机系统429

10.6　Pentium微处理器的系统结构434

10.6.1　Pentium Ⅱ微处理器434

10.6.2　Pentium 4微处理器437

10.7 片上多核处理器架构439

10.7.1　Intel Core微架构440

10.7.2　IBM Cell架构444

本章小结446

习题10447

参考文献452