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第1章 计算机系统概述 1

1.1 计算机的发展历程 1

1.1.1 通用电子计算机的诞生 1

1.1.2 第一代计算机 2

1.1.3 第二代计算机 2

1.1.4 第三代计算机 3

1.1.5 第四代计算机 3

1.2 计算机系统的基本组成 4

1.2.1 计算机硬件 4

1.2.2 计算机软件 8

1.3 计算机系统的层次结构 8

1.3.1 计算机系统抽象层的转换 9

1.3.2 计算机系统的不同用户 10

1.4 程序开发与执行过程 12

1.4.1 从源程序到可执行程序 12

1.4.2 可执行文件的启动和执行 14

1.4.3 程序与指令的关系 15

1.4.4 指令的执行过程 16

1.5 计算机系统性能评价 17

1.5.1 计算机性能的定义 18

1.5.2 计算机性能的测试 18

1.5.3 用指令执行速度进行性能评估 20

1.5.4 用基准程序进行性能评估 21

1.6 本章小结 22

习题 23

第2章 数据的机器级表示 25

2.1 数制和编码 25

2.1.1 信息的二进制编码 25

2.1.2 进位记数制 27

2.1.3 定点与浮点表示 31

2.1.4 定点数的编码表示 31

2.2 整数的表示 36

2.2.1 无符号整数的表示 36

2.2.2 带符号整数的表示 36

2.2.3 C语言中的整数类型 36

2.3 实数的表示 38

2.3.1 浮点数的表示格式 38

2.3.2 浮点数的规格化 39

2.3.3 IEEE 754浮点数标准 39

2.3.4 C语言中的浮点数类型 44

2.4 十进制数的表示 45

2.4.1 用ASCII码字符表示 45

2.4.2 用BCD码表示 46

2.5 非数值数据的编码表示 46

2.5.1 逻辑值 46

2.5.2 西文字符 47

2.5.3 汉字字符 48

2.6 数据的宽度和存储 50

2.6.1 数据的宽度和单位 50

2.6.2 数据的存储和排列顺序 51

2.7 数据校验码 54

2.7.1 奇偶校验码 55

2.7.2 海明校验码 56

2.7.3 循环冗余校验码 60

2.8 本章小结 62

习题 62

第3章 运算方法和运算部件 66

3.1 高级语言和机器指令中的运算 66

3.1.1 C程序中涉及的运算 66

3.1.2 MIPS指令中涉及的运算 69

3.2 基本运算部件 70

3.2.1 串行进位加法器 71

3.2.2 并行进位加法器 72

3.2.3 带标志加法器 73

3.2.4 算术逻辑部件 74

3.3 定点数运算 75

3.3.1 补码加减运算 75

3.3.2 原码加减运算 77

3.3.3 移码加减运算 77

3.3.4 原码乘法运算 78

3.3.5 补码乘法运算 81

3.3.6 快速乘法器 83

3.3.7 原码除法运算 85

3.3.8 补码除法运算 90

3.4 浮点数运算 93

3.4.1 浮点数加减运算 93

3.4.2 浮点数乘除运算 97

3.5 运算部件的组成 100

3.5.1 定点运算部件 100

3.5.2 浮点运算部件 102

3.6 本章小结 103

习题 104

第4章 指令系统 107

4.1 指令格式设计 107

4.1.1 指令地址码的个数 107

4.1.2 指令格式设计原则 108

4.2 指令系统设计 108

4.2.1 基本设计问题 109

4.2.2 操作数类型 110

4.2.3 寻址方式 110

4.2.4 操作类型 112

4.2.5 操作码编码 114

4.2.6 标志信息的生成与使用 116

4.2.7 指令系统设计风格 118

4.3 指令系统实例 120

4.3.1 IA-32指令系统 120

4.3.2 ARM指令系统 123

4.4 程序的机器级表示 125

4.4.1 MIPS汇编语言和机器语言 125

4.4.2 选择结构的机器代码表示 129

4.4.3 循环结构的机器代码表示 130

4.4.4 过程调用的机器代码表示 131

4.5 本章小结 138

习题 139

第5章 中央处理器 142

5.1 CPU概述 142

5.1.1 指令执行过程 142

5.1.2 CPU的基本功能和基本组成 143

5.1.3 数据通路的基本结构 144

5.2 单周期处理器设计 152

5.2.1 指令功能的描述 153

5.2.2 数据通路的设计 154

5.2.3 控制逻辑单元的设计 162

5.2.4 时钟周期的确定 168

5.3 多周期处理器设计 169

5.3.1 信号竞争问题 169

5.3.2 指令执行状态分析 170

5.3.3 硬连线路控制器设计 172

5.4 微程序控制器设计 175

5.4.1 微程序控制器的结构 175

5.4.2 微命令编码 176

5.4.3 微指令地址的确定 181

5.5 异常和中断处理 184

5.5.1 基本概念 184

5.5.2 异常处理过程 186

5.5.3 带异常处理的处理器设计 187

5.6 本章小结 189

习题 190

第6章 指令流水线 194

6.1 流水线概述 194

6.1.1 流水线的执行效率 194

6.1.2 适合流水线的指令集特征 195

6.2 流水线处理器的实现 196

6.2.1 每条指令的流水段分析 196

6.2.2 流水线数据通路的设计 197

6.2.3 流水线控制器的设计 202

6.3 流水线冒险及其处理 203

6.3.1 结构冒险 203

6.3.2 数据冒险 205

6.3.3 控制冒险 211

6.4 高级流水线技术 219

6.4.1 静态多发射处理器 220

6.4.2 动态多发射处理器 223

6.4.3 Pentium 4处理器的流水线结构 227

6.5 本章小结 230

习题 232

第7章 存储器分层体系结构 235

7.1 存储器概述 235

7.1.1 存储器的分类 235

7.1.2 主存储器的组成和基本操作 236

7.1.3 存储器的主要性能指标 237

7.1.4 存储器的层次化结构 238

7.2 半导体随机存取存储器 239

7.2.1 基本存储元件 239

7.2.2 SRAM芯片和DRAM芯片 240

7.2.3 SDRAM芯片技术 244

7.3 存储器芯片的扩展及其与CPU的连接 245

7.3.1 内存条和内存条插槽 245

7.3.2 存储器芯片的扩展 247

7.4 半导体只读存储器和Flash存储器 248

7.4.1 半导体只读存储器 248

7.4.2 半导体Flash存储器 248

7.5 并行存储器结构技术 250

7.5.1 双口存储器 250

7.5.2 多模块存储器 250

7.6 高速缓冲存储器 252

7.6.1 程序访问的局部性 253

7.6.2 cache的基本工作原理 255

7.6.3 cache行和主存块之间的映射方式 257

7.6.4 cache中主存块的替换算法 264

7.6.5 cache的一致性问题 267

7.6.6 cache性能评估 268

7.6.7 影响cache性能的因素 269

7.6.8 cache结构举例 272

7.7 虚拟存储器 274

7.7.1 进程与进程的上下文切换 274

7.7.2 存储器管理 275

7.7.3 虚拟地址空间 277

7.7.4 虚拟存储器的实现 279

7.7.5 存储保护 286

7.8 本章小结 287

习题 288

第8章 互连及输入输出组织 294

8.1 外部设备的分类与特点 294

8.1.1 外设的分类 294

8.1.2 外设的特点 295

8.2 输入设备和输出设备 295

8.2.1 键盘 295

8.2.2 鼠标器 297

8.2.3 打印机 297

8.2.4 显示器 299

8.3 外部存储设备 301

8.3.1 磁表面存储原理 301

8.3.2 硬磁盘存储器 303

8.3.3 冗余磁盘阵列 307

8.3.4 U盘和固态硬盘 309

8.4 外设与CPU、主存的互连 310

8.4.1 总线概述 310

8.4.2 基于总线的互连结构 312

8.5 I/O接口 317

8.5.1 I/O接口的功能 317

8.5.2 I/O接口的通用结构 317

8.5.3 I/O端口及其编址 319

8.6 I/O数据传送控制方式 320

8.6.1 程序直接控制I/O方式 320

8.6.2 程序中断I/O方式 323

8.6.3 DMA方式 333

8.7 I/O子系统概述 336

8.8 内核空间I/O软件 339

8.8.1 与设备无关的I/O软件 339

8.8.2 设备驱动程序 341

8.8.3 中断服务程序 342

8.9 本章小结 344

习题 345

第9章 并行处理系统 349

9.1 并行处理系统概述 349

9.1.1 并行处理的主要技术问题 349

9.1.2 并行处理系统的分类 351

9.2 多处理器系统 353

9.2.1 UMA多处理器结构 354

9.2.2 NUMA多处理器结构 356

9.2.3 多处理器系统中的互连网络 358

9.2.4 片级多处理器和多线程技术 359

9.3 多计算机系统 360

9.3.1 集群多计算机系统 360

9.3.2 网格多计算机系统 364

9.4 向量处理机和SIMD技术 364

9.4.1 向量处理机 364

9.4.2 Intel架构中的SIMD技术 366

9.4.3 GPU架构 368

9.5 并行处理编程模式简介 371

9.6 本章小结 374

参考文献 376