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第1章 计算机系统概论1

1.1计算机的分类1

1.2计算机的发展简史2

1.2.1计算机的五代变化2

1.2.2半导体存储器的发展3

1.2.3微处理器的发展3

1.2.4计算机的性能指标5

1.3计算机的硬件6

1.3.1硬件组成要素6

1.3.2运算器7

1.3.3存储器8

1.3.4控制器8

1.3.5适配器与输入输出设备11

1.4计算机的软件11

1.4.1软件的组成与分类11

1.4.2软件的发展演变12

1.5计算机系统的层次结构13

1.5.1多级组成的计算机系统13

1.5.2软件与硬件的逻辑等价性14

本章小结15

习题15

第2章 运算方法和运算器16

2.1数据与文字的表示方法16

2.1.1数据格式16

2.1.2数的机器码表示19

2.1.3字符与字符串的表示方法23

2.1.4汉字的表示方法24

2.1.5校验码25

2.2定点加法、减法运算26

2.2.1补码加法26

2.2.2补码减法27

2.2.3溢出概念与检测方法28

2.2.4基本的二进制加法／减法器30

2.3定点乘法运算31

2.3.1原码并行乘法31

2.3.2直接补码并行乘法36

2.4定点除法运算39

2.4.1原码除法算法原理39

2.4.2并行除法器40

2.5定点运算器的组成43

2.5.1逻辑运算44

2.5.2多功能算术／逻辑运算单元（ALU） 45

2.5.3内部总线49

2.5.4定点运算器的基本结构50

2.6浮点运算方法和浮点运算器52

2.6.1浮点加法、减法运算52

2.6.2浮点乘法、除法运算55

2.6.3浮点运算流水线57

2.6.4浮点运算器实例60

本章小结62

习题62

第3章 多层次的存储器64

3.1存储器概述64

3.1.1存储器的分类64

3.1.2存储器的分级65

3.1.3主存储器的技术指标65

3.2 SRAM存储器66

3.2.1基本的静态存储元阵列66

3.2.2基本的SRAM逻辑结构67

3.2.3读／写周期波形图68

3.3 DRAM存储器69

3.3.1 DRAM存储元的记忆原理69

3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构70

3.3.3读／写周期、刷新周期71

3.3.4存储器容量的扩充72

3.3.5高级的DRAM结构73

3.3.6 DRAM读／写的正确性校验77

3.4只读存储器和闪速存储器78

3.4.1只读存储器ROM 78

3.4.2 FLASH存储器82

3.5并行存储器84

3.5.1双端口存储器84

3.5.2多模块交叉存储器87

3.6 cache存储器90

3.6.1 cache基本原理90

3.6.2主存与cache的地址映射92

3.6.3替换策略97

3.6.4 cache的写操作策略97

3.6.5 Pentium 4的cache组织98

3.6.6使用多级cache减少缺失损失99

3.7虚拟存储器100

3.7.1虚拟存储器的基本概念100

3.7.2页式虚拟存储器102

3.7.3段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器105

3.7.4虚存的替换算法107

3.8奔腾系列机的虚存组织108

3.8.1存储器模型108

3.8.2虚地址模式109

3.8.3分页模式下的地址转换109

本章小结110

习题111

第4章 指令系统114

4.1指令系统的发展与性能要求114

4.1.1指令系统的发展114

4.1.2指令系统的性能要求114

4.1.3低级语言与硬件结构的关系115

4.2指令格式116

4.2.1操作码116

4.2.2地址码117

4.2.3指令字长度118

4.2.4指令助记符118

4.2.5指令格式举例119

4.3操作数类型122

4.3.1一般的数据类型122

4.3.2 Pentium数据类型122

4.3.3 Power PC数据类型123

4.4指令和数据的寻址方式123

4.4.1指令的寻址方式123

4.4.2操作数基本寻址方式124

4.4.3寻址方式举例127

4.5典型指令130

4.5.1指令的分类130

4.5.2基本指令系统的操作131

4.5.3精简指令系统131

4.6 ARM汇编语言134

本章小结136

习题137

第5章 中央处理器139

5.1 CPU的功能和组成139

5.1.1 CPU的功能139

5.1.2 CPU的基本组成139

5.1.3 CPU中的主要寄存器140

5.1.4操作控制器与时序产生器141

5.2指令周期142

5.2.1指令周期的基本概念142

5.2.2 MOV指令的指令周期143

5.2.3 LAD指令的指令周期145

5.2.4 ADD指令的指令周期147

5.2.5 ST O指令的指令周期147

5.2.6 J MP指令的指令周期149

5.2.7用方框图语言表示指令周期149

5.3时序产生器和控制方式152

5.3.1时序信号的作用和体制152

5.3.2时序信号产生器153

5.3.3控制方式155

5.4微程序控制器155

5.4.1微程序控制原理155

5.4.2微程序设计技术162

5.5硬连线控制器165

5.6流水CPU 168

5.6.1并行处理技术168

5.6.2流水CPU的结构168

5.6.3流水线中的主要问题170

5.6.4奔腾CPU 172

5.7 RISC CPU177

5.7.1 RISC机器的特点177

5.7.2 RISC CPU实例178

5.7.3动态流水线调度181

本章小结182

习题183

第6章 总线系统185

6.1总线的概念和结构形态185

6.1.1总线的基本概念185

6.1.2总线的连接方式186

6.1.3总线的内部结构188

6.1.4总线结构实例189

6.2总线接口190

6.2.1信息传送方式190

6.2.2总线接口的基本概念192

6.3总线的仲裁194

6.3.1集中式仲裁194

6.3.2分布式仲裁196

6.4总线的定时和数据传送模式196

6.4.1总线的定时196

6.4.2总线数据传送模式199

6.5 HOST总线和PCI总线199

6.5.1多总线结构199

6.5.2 PCI总线信号201

6.5.3总线周期类型202

6.5.4总线周期操作203

6.5.5总线仲裁204

6.6 InfiniBand标准204

6.6.1 InfiniBand的体系结构204

6.6.2 InfiniBand的通信协议205

本章小结207

习题207

第7章 外存与I/O设备209

7.1外围设备概述209

7.1.1外围设备的一般功能209

7.1.2外围设备的分类209

7.2磁盘存储设备211

7.2.1磁记录原理211

7.2.2磁盘的组成和分类213

7.2.3磁盘驱动器和控制器214

7.2.4磁盘上信息的分布215

7.2.5磁盘存储器的技术指标216

7.3磁盘存储设备的技术发展218

7.3.1磁盘cache 218

7.3.2磁盘阵列RAID 218

7.3.3可移动存储设备219

7.4磁带存储设备220

7.5光盘和磁光盘存储设备221

7.5.1光盘存储设备221

7.5.2磁光盘存储设备222

7.6显示设备224

7.6.1显示设备的分类与有关概念224

7.6.2字符／图形显示器225

7.6.3图像显示设备226

7.6.4 VESA显示标准227

7.7输入设备和打印设备229

7.7.1输入设备229

7.7.2打印设备230

本章小结232

习题232

第8章 输入输出系统234

8.1外围设备的速度分级与信息交换方式234

8.1.1外围设备的速度分级234

8.1.2信息交换方式236

8.2程序查询方式237

8.3程序中断方式240

8.3.1中断的基本概念240

8.3.2程序中断方式的基本I/O接口242

8.3.3单级中断243

8.3.4多级中断245

8.3.5中断控制器248

8.3.6 Pentium中断机制249

8.4 DMA方式251

8.4.1 DMA的基本概念251

8.4.2 DMA传送方式251

8.4.3基本的DMA控制器253

8.4.4选择型和多路型DMA控制器255

8.5通道方式258

8.5.1通道的功能258

8.5.2通道的类型260

8.5.3通道结构的发展261

8.6通用I/O标准接口261

8.6.1并行I/O标准接口SCSI 261

8.6.2串行I/O标准接口IEE1394 262

8.6.3 I/O系统设计265

本章小结266

习题267

第9章 并行组织与结构269

9.1体系结构中的并行性269

9.1.1并行性的概念269

9.1.2提高并行性的技术途径269

9.1.3单处理机系统中的并行性270

9.1.4多处理机系统中的并行性270

9.1.5并行处理机的体系结构类型272

9.1.6并行处理机的组织和结构273

9.2多线程与超线程处理机275

9.2.1从指令级并行到线程级并行276

9.2.2同时多线程结构277

9.2.3超线程处理机结构278

9.3多处理机279

9.3.1多处理机系统的分类279

9.3.2 SMP的基本概念280

9.3.3 SMP的结构281

9.4多核处理机282

9.4.1多核处理机的优势282

9.4.2多核处理机的组织结构283

9.4.3多核处理机的关键技术286

9.5多核处理机实例293

9.5.1 ARM多核处理机293

9.5.2英特尔酷睿多核处理机295

9.5.3英特尔至强多核处理机297

9.5.4龙芯多核处理机298

本章小结301

习题301

第10章 课程教学实验设计303

10.1 TEC-8实验系统平台303

10.2 TEC-8实验系统结构和操作304

10.2.1模型计算机时序信号304

10.2.2模型计算机组成304

10.2.3模型计算机指令系统307

10.2.4开关、按钮、指示灯308

10.2.5 E2 PROM中微代码的修改310

10.3运算器组成实验314

10.4双端口存储器实验320

10.5数据通路实验324

10.6微程序控制器实验329

10.7 CPU组成与机器指令的执行实验334

10.8中断原理实验338

第11章 课程综合设计342

11.1硬连线控制器的常规CPU设计 342

11.2含有阵列乘法器的ALU设计347

附录A《计算机组成原理》（第五版·立体化教材）配套教材与实验设备350

附录B 2013年计算机组成原理研究生入学统考大纲351

参考文献353