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1 计算机系统概述 1

1.1 计算机系统的硬件结构 1

1.1.1 冯·诺依曼计算机结构 1

1.1.2 现代计算机结构 2

1.1.3 计算机硬件的典型结构 3

1.1.4 计算机各大功能部件简介 6

1.2 计算机的工作过程 9

1.3 计算机的软件系统 11

1.4 计算机系统的层次结构 12

1.4.1 计算机的层次结构 12

1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性 14

1.5 系统结构的评价标准 14

1.5.1 计算机系统的性能指标 14

1.5.2 计算机的成本与价格 15

习题 16

2 计算机逻辑部件 17

2.1 寄存器 17

2.1.1 基本寄存器 17

2.1.2 移位寄存器 18

2.1.3 常用寄存器 19

2.2 计数器 20

2.2.1 二进制计数器 20

2.2.2 非二进制计数器 23

2.2.3 典型计数器举例 25

2.3 编码器和译码器 25

2.3.1 编码器 25

2.3.2 译码器 27

2.3.3 典型译码器举例 28

2.4 总线缓冲器和总线控制器 29

2.4.1 三态电路 29

2.4.2 总线缓冲器 30

2.4.3 总线控制器 30

2.4.4 微型机中的总线系统 30

2.5 时钟发生器 31

2.5.1 时序的概念 31

2.5.2 时序部件及控制方式 33

习题 35

3 运算方法与运算器 36

3.1 数的小数点表示方法 36

3.1.1 定点数的表示方法 36

3.1.2 浮点数的表示方法 36

3.2 带符号数的表示方法 37

3.2.1 原码的表示方法 38

3.2.2 补码的表示方法 38

3.2.3 反码的表示方法 39

3.2.4 移码的表示方法 40

3.2.5 真值的四种机器数表示方法——原码、补码、反码和移码 40

3.3 运算器 40

3.3.1 半加器与全加器 40

3.3.2 串行加法器与并行加法器 41

3.3.3 算术逻辑单元(ALU) 43

3.4 定点加减法运算 45

3.4.1 原码加减法 45

3.4.2 补码加减法 45

3.4.3 溢出及判别方法 48

3.5 定点乘法运算 49

3.5.1 原码一位乘法 49

3.5.2 补码一位乘法 52

3.5.3 补码二位乘法 54

3.6 定点除法运算 55

3.6.1 原码一位除法 56

3.6.2 补码一位除法 59

3.7 浮点算术运算 60

3.7.1 浮点加减法运算 61

3.7.2 浮点乘除法运算 62

习题 64

4 存储器系统 65

4.1 存储器的基本知识 65

4.1.1 存储器的分类 65

4.1.2 主存储器的基本结构 68

4.1.3 存储器的层次结构 71

4.2 半导体存储器 73

4.2.1 主存储器的主要技术指标 73

4.2.2 动态半导体存储器的刷新 74

4.2.3 半导体存储器的组成及寻址 76

4.2.4 半导体存储器与CPU的连接 79

4.2.5 半导体存储器的设计步骤 79

4.3 并行主存储器 81

4.4 高速缓冲存储器 83

4.4.1 高速缓冲存储器的基本结构 83

4.4.2 高速缓冲存储器的读写操作 85

4.4.3 替换算法 85

4.5 虚拟存储器 86

4.5.1 页式虚拟存储器 86

4.5.2 段式虚拟存储器 88

4.5.3 段页式虚拟存储器 89

4.6 存储保护 89

4.6.1 存储区域保护 89

4.6.2 访问方式保护 91

习题 91

5 指令系统 94

5.1 指令系统 94

5.1.1 指令系统的发展 94

5.1.2 对指令系统的要求 95

5.2 指令格式 95

5.2.1 指令格式 96

5.2.2 操作码的编码 98

5.3 寻址方式 99

5.3.1 隐含寻址 99

5.3.2 立即寻址 100

5.3.3 直接寻址 100

5.3.4 寄存器寻址 100

5.3.5 间接寻址 100

5.3.6 变址寻址 101

5.3.7 相对寻址 102

5.3.8 基址寻址 102

5.4 指令的分类 103

5.4.1 数据传送指令 103

5.4.2 算术逻辑运算指令 103

5.4.3 移位指令 104

5.4.4 字符串处理指令 104

5.4.5 转移类指令 104

5.4.6 堆栈及堆栈操作指令 105

5.4.7 输入/输出(I/O)指令 106

5.4.8 浮点运算指令 106

5.4.9 向量与多处理机指令 106

5.4.10 控制指令 107

5.5 精简指令系统计算机RISC 107

5.5.1 CISC与RISC 107

5.5.2 RISC的特点 108

习题 109

6 控制器 111

6.1 中央处理器的功能与组成 111

6.1.1 中央处理器的功能 112

6.1.2 中央处理器的结构框图 113

6.2 控制器的功能与结构 116

6.2.1 控制器的功能 116

6.2.2 控制器的结构框图 118

6.3 时序 121

6.3.1 时序控制方式 121

6.3.2 多级时序的建立 123

6.3.3 典型的指令周期 125

6.4 微程序控制器 127

6.4.1 微程序控制器的基本概念 127

6.4.2 微程序控制器组成原理 128

6.4.3 微程序控制器的设计技术 130

6.5 组合逻辑控制器 133

6.6 PLA逻辑控制器 135

6.7 系统总线 138

6.7.1 总线结构 138

6.7.2 总线的控制方式 140

6.7.3 总线的通信方式 144

习题 145

7 输入输出系统 146

7.1 概述 146

7.1.1 I/O系统的功能和组成 146

7.1.2 输入输出设备的寻址方式 147

7.1.3 输入输出指令 148

7.1.4 输入输出接口 148

7.2 主机与外设的数据传送方式 149

7.2.1 程序查询方式 149

7.2.2 程序中断方式 149

7.2.3 DMA输入输出方式 153

7.2.4 通道方式 158

7.2.5 不同传送方式的比较 160

7.3 外围设备 161

7.3.1 输入设备 162

7.3.2 显示器 164

7.3.3 打印机 167

7.3.4 磁盘存储器 168

习题 174

8 计算机系统结构 175

8.1 标量流水技术 175

8.1.1 控制流及其改变 175

8.1.2 标量流水工作原理 176

8.1.3 流水操作中的主要障碍 180

8.1.4 流水的实现与控制 183

8.1.5 先进的流水技术 198

8.2 向量流水处理 204

8.2.1 向量流水处理 204

8.2.2 向量流水机的基本系统结构 204

8.2.3 向量操作长度控制和向量访问步长 212

8.2.4 向量处理方法 215

8.2.5 增强向量处理性能的方法 216

8.2.6 向量处理性能 220

8.2.7 向量化编译技术 221

8.3 并行处理与多处理机系统 222

8.3.1 并行性的概念 222

8.3.2 并行处理机 223

8.3.3 多处理机系统 226

习题 238

9 计算机系统结构的发展方向 244

9.1 数据流计算机 244

9.1.1 数据流计算机的基本原理 244

9.1.2 数据流图与数据流程序 248

9.1.3 数据流计算机分类 253

9.1.4 数据流计算机的性能分析 257

9.2 数据库机与知识库机 260

9.2.1 数据库机与知识库机模型 260

9.2.2 数据库机与知识库机系统结构 262

9.2.3 典型的数据库机与知识库机 263

9.3 归约机 266

9.3.1 函数式语言 266

9.3.2 归约机的结构特点 268

9.3.3 归约机分类 270

习题 272

参考文献 274