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目 录1

第1章计算机组成与系统结构概述1

1.1计算机系统概念1

1.1.1计算机的产生与发展1

1.1.2计算机的应用3

1.1.3计算机系统结构、计算机组成和计算机实现5

1.2计算机系统的层次结构6

1.3计算机系统组成7

1.4计算机系统结构的分类8

1.4.1弗林分类法8

1.4.2冯氏分类法10

1.4.3海德勒分类法11

1.5计算机系统结构的评价11

1.5.1系统运行速度12

1.5.2加速比14

1.5.3 CPU性能16

1.5.4系统的性能价格比18

1.6计算机系统结构的发展19

1.6.1冯·诺依曼机系统结构的演变19

1.6.2软件、应用和器件对系统结构的影响20

1.6.3系统结构中并行性的发展22

习题23

第2章逻辑部件基础24

2.1计算机中常用的组合逻辑电路24

2.1.1加法器25

2.1.2算术逻辑单元28

2.1.3数值比较器32

2.1.4数据选择器34

2.1.5译码器36

2.2时序逻辑电路37

2.2.1触发器38

2.2.2寄存器和移位寄存器39

2.2.3计数器41

2.3时序逻辑电路设计基础——有限状态机理论42

2.4阵列逻辑电路44

2.4.1只读存储器（ROM）44

2.4.2可编程逻辑阵列PLA46

2.4.3可编程阵列逻辑PAL47

2.4.4通用阵列逻辑GAL48

2.4.5复杂可编程逻辑器件（CPLD）与现场可编程门阵列（FPGA）48

习题49

第3章运算方法与实现电路52

3.1计算机中数据的表示与数制之间的转换52

3.1.1计算机中数据的表示方法与转换52

3.1.2十进制数的编码与运算55

3.2机器数的编码表示及加减运算57

3.2.1机器数的编码表示57

3.2.2定点数加减运算61

3.2.3定点数加减运算溢出的处理64

3.3.1二进制乘法运算66

3.3二进制乘除法运算66

3.3.2二进制除法运算75

3.4浮点数的运算方法80

3.4.1浮点数的加减法运算80

3.4.2浮点数的乘除法运算81

3.5浮点数设计84

3.5.1浮点数的表示格式85

3.5.2浮点数的表示范围86

3.5.3浮点数的表数精度87

3.5.4浮点数的表数效率90

3.5.5浮点数的尾数基值的选择90

3.5.6浮点数格式的设计94

3.5.7浮点数尾数的下溢处理方法95

3.6数据校验码97

3.6.1奇偶校验码97

3.6.2海明校验码98

3.6.3循环冗余校验码100

3.7.1 自定义数据表示103

3.7高级数据表示103

3.7.2向量数组数据表示108

3.7.3堆栈数据表示108

3.7.4引入数据表示的原则109

习题111

第4章指令系统113

4.1 引言113

4.1.1传统计算机指令系统的设计技术113

4.1.2指令系统发展的两种途径CISC和RISC114

4.2指令格式117

4.2.1指令字长度117

4.2.2操作码117

4.2.3地址码119

4.2寻址技术122

4.3.1指令寻址方式122

4.3.2操作数寻址方式123

4.4.1指令的分类125

4.4典型的指令系统125

4.4.2精简指令系统127

4.5指令系统的优化设计129

4.5.1操作码的优化设计129

4.5.2地址码的优化设计133

习题137

5.1控制器的基本功能及结构140

5.1.1控制器的功能140

第5章控制器组成原理140

5.1.2控制器的基本组成141

5.2指令的执行过程143

5.2.1时序系统143

5.2.2指令的执行过程144

5.2.3指令的执行过程举例145

5.3硬布线控制器的组成原理与实现方法146

5.3.1硬布线控制器的组成原理147

5.3.2硬布线控制器的设计实例148

5.4.1微程序控制器的基本原理151

5.4微程序控制器的组成原理与实现方法151

5.4.2微程序设计的技术问题153

5.4.3微程序控制器的设计实例158

5.5控制器的控制方式160

习题161

第6章主存储器与存储系统163

6.1存储器分类163

6.2主存储器的主要技术指标164

6.3读写存储器165

6.3.1静态RAM165

6.3.2动态RAM169

6.4非易失性半导体存储器172

6.4.1只读存储器（ROM）173

6.4.2可编程只读存储器（PROM）173

6.4.3可擦除可编程只读存储器（EPROM）174

6.4.4电可擦除可编程只读存储器（E2PROM）175

6.4.5快速擦写存储器（Flash Memory）177

6.4.6几种新型存储器178

6.5主存储器组成179

6.5.1位扩展180

6.5.2字扩展180

6.5.3字位扩展181

6.6相联存储器182

6.7存储系统与并行存储器183

6.7.1存储系统的概念183

6.7.2增加存储器的数据宽度186

6.7.3多体交叉存储技术187

6.7.4一种无冲突访问的存储器190

6.8高速缓冲器Cache193

6.8.1 Cache的工作原理193

6.8.2 Cache的地址映像与地址变换194

6.8.3替换算法199

6.8.4 Cache的加速比200

6.9.2地址映像与变换201

6.9.1虚拟存储器的工作原理201

6.9虚拟存储器原理201

6.9.3页面替换算法及其实现204

6.9.4虚拟存储器实例205

习题206

第7章辅助存储器208

7.1硬盘存储设备208

7.1.1磁记录原理与记录方式208

7.1.3硬盘驱动器和硬盘控制器211

7.1.2硬盘机的基本组成与分类211

7.1.4硬盘的主要技术指标213

7.2 RAID（冗余磁盘阵列）215

7.2.1 RAID 0级216

7.2.2 RAID 1级217

7.2.3 RAID 2级218

7.2.4 RAID 3级219

7.2.5 RAID 4级220

7.3.1软盘片221

7.2.6 RAID 5级221

7.3软盘存储设备221

7.3.2软盘驱动器和控制器222

7.4激光存储设备223

7.4.1光盘存储器的种类224

7.4.2光盘的读写原理225

7.4.3光盘驱动器及接口226

习题227

第8章输入输出设备及系统228

8.1输入输出设备的概述228

8.1.1输入输出设备的作用228

8.1.2输入输出设备的分类229

8.2显示设备230

8.2.1显示设备的概念与分类230

8.2.2 CRT显示器231

8.2.3字符／图形显示设备235

8.2.4图像显示设备237

8.2.5液晶显示器238

8.3输入设备241

8.3.1 图形输入设备241

8.3.2图像输入设备242

8.3.3语音输入设备242

8.4打印设备243

8.4.1打印设备的分类243

8.4.2点阵针式打印机243

8.4.3激光打印机244

8.5输入输出系统246

8.5.1 输入输出系统的概述246

8.5.2程序查询方式248

8.5.3程序中断方式249

8.5.4直接存储器存取（DMA）方式256

8.5.5通道控制方式260

8.5.6通道的流量分析262

8.6.2总线的连接方式265

8.6总线265

8.6.1总线的概念265

8.6.3总线的内部结构267

8.6.4几种常用的总线结构267

习题272

第9章流水线处理机及设计274

9.1先行控制技术274

9.1.1重叠控制与先行控制274

9.1.2先行控制方式中处理机的结构276

9.1.3先行控制方式中缓冲深度的设计277

9.1.4数据相关278

9.1.5控制相关279

9.2流水线工作原理280

9.2.1流水线的工作原理及定义280

9.2.2流水线的分类281

9.3流水线性能分析284

9.3.1线性流水线的性能分析284

9.3.2线性流水线的性能分析举例289

9.3.3非线性流水线的调度技术简介291

9.4其他结构的高性能处理机292

9.4..1超标量处理机293

9.4.2超流水线处理机294

9.4.3超标量超流水线处理机295

9.4.4超长指令字技术296

习题298

第10章向量处理机299

10.1 向量处理机的基本概念299

10.1.1 向量的概念299

10.1.2向量运算指令302

10.2向量处理机的结构306

10.2.1存储器—存储器结构306

10.2.2寄存器—寄存器结构308

10.3向量处理机实例310

10.3.1银河YH-1向量处理机310

10.3.3 Fujitsu VP2000/VPP 500系列向量处理机311

10.3.2 Cray系列机311

10.4向量协处理机313

10.4.1 向量协处理器的地位313

10.4.2向量协处理器实例314

10.5 向量处理机的性能分析316

习题321

11.1并行处理的概念323

11.1.1并行性323

第11章并行处理323

11.1.2并行性的等级和分类324

11.2并行处理机基本结构325

11.2.1并行处理机的典型结构325

11.2.2并行处理机的特点327

11.3 SIMD计算机基本结构327

11.3.1 Illiac IV计算机328

11.3.2 Burroughs BSP计算机332

11.3.3 CM-2计算机336

11.4.1连续模型及差分计算339

11.4 SIMD计算机的应用339

11.4.2阵列处理机的几种基本算法341

习题345

第12章互连网络与多处理机347

12.1 互连网络的基本概念347

12.1.1互连网络在计算机系统中的作用347

12.1.2主要特性和性能参数348

12.1.3互连函数350

12.1.4互连网络的种类354

12.2静态互连网络355

12.2.1静态互连网络结构356

12.2.2静态互连网络特性359

12.3动态互连网络360

12.3.1动态互连网络的互连形式360

12.3.2多级互连网络364

12.4互连网络的消息传递机制373

12.4.1消息寻径374

12.4.2死锁和虚拟通道376

12.4.3单播方式的寻径378

12.4.4广播方式下的寻径381

12.5多处理机系统特点与分类382

12.5.1基本结构382

12.5.2多处理机系统特点383

12.5.3多处理机系统的Cache一致性问题384

12.6典型的多处理机系统388

12.6.1 MPP大规模并行多处理机系统388

12.6.2 CM-5系统389

12.6.3 SGI Origin 2000系列服务器392

12.7机群系统397

12.7.1机群系统的结构特点397

12.7.2机群系统的关键技术398

12.7.3几种典型的机群系统400

习题401

参考文献403