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第1章 计算机的基本结构1

1.1 计算机的类型1

1.2 功能部件2

1.2.1 输入设备3

1.2.2 存储器3

1.2.3 运算器4

1.2.4 输出设备4

1.2.5 控制器4

1.3 基本操作概念4

1.4 数的表示及算术运算6

1.4.1 整数6

1.4.2 浮点数11

1.5 字符表示11

1.6 性能12

1.6.1 技术13

1.6.2 并行性13

1.7 发展历程13

1.7.1 第一代计算机14

1.7.2 第二代计算机14

1.7.3 第三代计算机14

1.7.4 第四代计算机14

1.8 结束语15

1.9 问题解析15

习题16

参考文献17

第2章 指令集体系结构18

2.1 存储单元和地址18

2.1.1 按字节寻址能力19

2.1.2 大端和小端分配20

2.1.3 字的对齐20

2.1.4 访问数和字符20

2.2 存储器操作21

2.3 指令和指令序列21

2.3.1 寄存器传送标记21

2.3.2 汇编语言符号22

2.3.3 RISC和CISC指令集22

2.3.4 RISC指令集介绍23

2.3.5 指令执行和线性序列24

2.3.6 转移25

2.3.7 生成存储器地址26

2.4 寻址方式26

2.4.1 变量和常数的实现27

2.4.2 间接和指针28

2.4.3 变址和数组29

2.5 汇编语言32

2.5.1 汇编指示33

2.5.2 程序的汇编和执行35

2.5.3 数的表示36

2.6 堆栈36

2.7 子程序38

2.7.1 子程序嵌套及处理器堆栈39

2.7.2 参数传递39

2.7.3 堆栈的结构42

2.8 其他指令44

2.8.1 逻辑指令44

2.8.2 移位和循环移位指令45

2.8.3 乘法和除法47

2.9 处理32位的立即值47

2.10 CISC指令集48

2.10.1 其他寻址方式49

2.10.2 条件码50

2.11 RISC和CISC风格51

2.12 实例程序52

2.12.1 向量点积程序52

2.12.2 字符串搜索程序53

2.13 机器指令的编码54

2.14 结束语56

2.15 问题解析56

习题59

第3章 基本输入／输出63

3.1 访问I/O设备63

3.1.1 I/O设备接口64

3.1.2 程序控制I/O64

3.1.3 一个RISC风格的I/O程序示例67

3.1.4 一个CISC风格的I/O程序示例67

3.2 中断68

3.2.1 中断的允许与禁止70

3.2.2 处理多台设备71

3.2.3 控制I/O设备行为72

3.2.4 处理器控制寄存器73

3.2.5 中断程序示例74

3.2.6 异常78

3.3 结束语79

3.4 问题解析79

习题83

第4章 软件86

4.1 汇编过程86

4.2 装载及执行目标程序87

4.3 连接程序88

4.4 库88

4.5 编译器88

4.5.1 编译器优化89

4.5.2 组合不同语言编写的程序89

4.6 调试器90

4.7 使用高级语言实现输入／输出任务90

4.8 汇编语言与C语言的交互92

4.9 操作系统95

4.9.1 引导程序96

4.9.2 管理应用程序的执行96

4.9.3 中断在操作系统中的使用97

4.10 结束语99

习题99

参考文献100

第5章 基本处理部件101

5.1 一些基本概念101

5.2 指令的执行103

5.2.1 Load指令103

5.2.2 算术及逻辑运算指令104

5.2.3 Store指令104

5.3 硬件组件105

5.3.1 寄存器文件105

5.3.2 ALU106

5.3.3 数据通路106

5.3.4 取指令部分108

5.4 指令的读取和执行步骤109

5.4.1 转移111

5.4.2 等待存储器113

5.5 控制信号114

5.6 硬件控制116

5.6.1 数据通路控制信号117

5.6.2 存储器延迟的处理118

5.7 CICS风格的处理器118

5.7.1 使用总线实现互连119

5.7.2 微程序控制121

5.8 结束语122

5.9 问题解析122

习题124

第6章 流水线127

6.1 基本概念——理想情况127

6.2 流水线结构128

6.3 流水线问题129

6.4 数据依赖性129

6.4.1 操作数转发129

6.4.2 用软件处理数据依赖性130

6.5 存储器延迟131

6.6 转移延迟132

6.6.1 无条件转移132

6.6.2 条件转移133

6.6.3 转移延迟槽133

6.6.4 转移预测134

6.7 资源限制136

6.8 性能评估137

6.8.1 停顿和时间代价的影响137

6.8.2 流水线的段数138

6.9 超标量操作139

6.9.1 转移和数据依赖性140

6.9.2 无序执行141

6.9.3 执行完成141

6.9.4 调度操作142

6.10 CISC处理器中的流水线143

6.10.1 ColdFire处理器中的流水线144

6.10.2 Intel处理器中的流水线144

6.11结束语144

6.12 问题解析145

习题146

参考文献148

第7章 输入／输出组织结构149

7.1 总线结构149

7.2 总线操作150

7.2.1 同步总线150

7.2.2 异步总线152

7.2.3 电气考虑154

7.3 总线仲裁154

7.4 接口电路156

7.4.1 并行接口156

7.4.2 串行接口159

7.5 互连标准161

7.5.1 通用串行总线162

7.5.2 火线164

7.5.3 PCI总线165

7.5.4 SCSI总线168

7.5.5 SATA169

7.5.6 SAS169

7.5.7 PCI Express169

7.6 结束语170

7.7 问题解析170

习题172

参考文献173

第8章 存储器系统174

8.1 基本概念174

8.2.半导体随机存储器175

8.2.1 存储器芯片的内部组织结构176

8.2.2 静态存储器177

8.2.3 动态随机存储器178

8.2.4 同步动态随机存储器180

8.2.5 大容量存储器的结构182

8.3 只读存储器184

8.3.1 ROM184

8.3.2 PROM185

8.3 ．3 EPROM185

8.3.4 EEPROM185

8.3.5 闪存186

8.4 直接存储器访问186

8.5 存储器层次结构188

8.6 高速缓存189

8.6.1 映射功能190

8.6.2 替换算法193

8.6.3 映射技术的例子194

8.7 性能因素196

8.7.1 命中率和失效开销196

8.7.2 处理器芯片上的高速缓存198

8.7.3 其他改进198

8.8 虚拟存储器200

8.9 存储器管理需求203

8.10 辅助存储器204

8.10.1 磁盘204

8.10.2 光盘208

8.10.3 磁带系统211

8.11结束语212

8.12 问题解析212

习题215

参考文献217

第9章 算术运算218

9.1 有符号数加减法218

9.2 快速加法器设计220

9.3 无符号数乘法224

9.3.1 阵列乘法器224

9.3.2 顺序电路乘法器225

9.4 有符号数乘法227

9.5 快速乘法229

9.5.1 乘数位偶重编码229

9.5.2 求和项的进位保留加法229

9.5.3 使用3-2简化器的求和项加法树231

9.5.4 使用4-2简化器的求和项加法树233

9.5.5 快速乘法总结234

9.6 整数除法234

9.7 浮点数及其运算236

9.7.1 浮点数算术运算238

9.7.2 保护位与截取239

9.7.3 浮点操作的实现240

9.8 十进制数到二进制数的转换242

9.9 结束语242

9.10 问题解析243

习题245

参考文献248

第10章 嵌入式系统249

10.1 嵌入式系统实例249

10.1.1 微波炉249

10.1.2 数码照相机251

10.1.3 家用遥测技术252

10.2 嵌入式应用中的微控制器芯片252

10.3 一个简单的微控制器253

10.3.1 并行I/O接口253

10.3.2 串行I/O接口256

10.3.3 计数器／定时器256

10.3.4 中断控制机制258

10.3.5 编程实例258

10.4 反应定时器——一个完整的实例261

10.5 传感器与执行器264

10.5.1 传感器264

10.5.2 执行器266

10.5.3 应用实例266

10.6 微控制器系列267

10.6.1 基于Intel 8051的微控制器268

10.6.2 Freescale微控制器268

10.6.3 ARM微控制器269

10.7 设计问题269

10.8 结束语271

习题271

参考文献273

第11章 片上系统——案例研究274

11.1 FPGA的实现274

11.1.1 FPGA器件275

11.1.2 处理器的选择275

11.2 计算机辅助设计工具275

11.3 闹钟示例279

11.3.1 系统的用户视图279

11.3.2 系统的定义和生成279

11.3.3 电路实现281

11.3.4 应用软件281

11.4 结束语287

习题287

参考文献288

第12章 并行处理及性能289

12.1 硬件多线程289

12.2 向量（SIMD）处理290

12.3 共享存储器的多处理器292

12.4 高速缓存一致性295

12.4.1 直接写协议295

12.4.2 写回协议296

12.4.3 监听高速缓存296

12.4.4 基于目录的高速缓存一致性297

12.5 消息传递多计算机298

12.6 多处理器并行编程298

12.7 性能建模300

12.8 结束语301

习题301

参考文献302

附录A 逻辑电路303

附录B Altera Nios Ⅱ处理器344

附录C ColdFire处理器371

附录D ARM处理器397

附录E Intel IA-32体系结构431

索引461