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第1章 绪论1

1.1 计算机的发展史1

1.1.1 发展经历1

1.1.2 摩尔定律2

1.2 计算机的基本组成4

1.2.1 硬件系统4

1.2.2 软件系统8

1.3 计算机系统的组织结构8

1.3.1 计算机系统的层次结构9

1.3.2 计算机系统结构、组成与实现10

1.4 计算机的分类及性能描述11

1.4.1 计算机的分类11

1.4.2 计算机的性能描述14

习题20

第2章 计算机系统中的数据表示21

2.1 数据表示21

2.2 数据编码22

2.2.1 数值数据的编码22

2.2.2 非数值数据的编码36

2.3 数据的定点与浮点表示44

2.3.1 定点数表示44

2.3.2 浮点数表示46

2.4 检错与纠错码58

2.4.1 奇偶校验码58

2.4.2 循环冗余校验码61

2.4.3 汉明码64

习题70

第3章 运算方法与运算器75

3.1 定点数运算75

3.1.1 加减运算75

3.1.2 乘法运算84

3.1.3 除法运算96

3.2 算术逻辑部件104

3.2.1 单元电路104

3.2.2 算术逻辑部件106

3.2.3 运算器的结构108

3.3 浮点运算109

3.3.1 加减运算109

3.3.2 乘除运算112

3.3.3 浮点运算的实现115

习题116

第4章 存储系统120

4.1 存储系统概述120

4.1.1 存储系统的层次结构120

4.1.2 存储器分类120

4.1.3 存储器的性能指标121

4.2 内存储器123

4.2.1 随机存储器123

4.2.2 只读存储器131

4.2.3 动态存储器133

4.2.4 主存储器校验136

4.2.5 其他存储器139

4.3 高速缓冲存储器143

4.3.1 工作原理143

4.3.2 地址映射144

4.3.3 替换算法149

4.3.4 主存与Cache内容的一致性问题150

4.3.5 Cache性能分析151

4.3.6 Pentium的Cache153

4.4 虚拟存储器154

4.4.1 虚拟存储器的概念154

4.4.2 页式虚拟存储器155

4.4.3 段式虚拟存储器157

4.4.4 段页式虚拟存储器158

4.4.5 有关虚拟存储器的几点说明159

4.4.6 Pentium虚拟存储器160

4.5 外存储器161

4.5.1 磁表面存储器162

4.5.2 光存储器172

习题176

第5章 指令系统182

5.1 指令格式182

5.1.1 机器指令特征182

5.1.2 指令格式及设计183

5.1.3 指令长度设计186

5.2 数据存储与寻址方式187

5.2.1 数据存储方式187

5.2.2 寻址方式189

5.3 指令类型197

5.3.1 数据传送类197

5.3.2 算术运算类197

5.3.3 逻辑运算类197

5.3.4 数据转换类199

5.3.5 输入输出类199

5.3.6 系统控制类199

5.3.7 控制传递类199

5.4 典型处理器的指令系统201

5.4.1 Pentium指令格式及核心指令202

5.4.2 SPARC指令格式及核心指令209

5.5 CISC与RISC215

5.5.1 CISC与RISC216

5.5.2 RISC的寄存器窗口技术218

习题220

第6章 中央处理器222

6.1 CPU结构和微操作222

6.1.1 CPU的功能与结构222

6.1.2 指令周期224

6.1.3 微操作225

6.1.4 控制器的组成232

6.2 硬布线控制器设计233

6.3 微程序控制器设计240

6.3.1 微程序控制原理240

6.3.2 微指令设计243

6.3.3 微程序设计253

6.3.4 微程序控制器设计257

6.4 微程序控制器与硬布线控制器的比较259

6.5 CPU性能的测量与提高259

6.5.1 计算机系统性能测量259

6.5.2 CPU性能测量260

6.5.3 提高CPU速度的策略268

6.6 CPU中的新技术269

6.6.1 多核技术269

6.6.2 多线程技术270

6.6.3 多核＋多线程技术273

6.7 典型的CPU274

6.7.1 Intel的CPU275

6.7.2 SUN的CPU276

6.7.3 MIPS的CPU280

习题281

第7章 流水线技术与指令级并行287

7.1 流水线处理287

7.1.1 流水线的一般结构287

7.1.2 流水线类型288

7.2 浮点运算流水线292

7.2.1 浮点加减法器流水线292

7.2.2 浮点乘除法器流水线295

7.3 指令流水线298

7.3.1 基本的指令流水线298

7.3.2 指令流水线策略301

7.4 流水线性能度量305

7.4.1 时-空图305

7.4.2 吞吐率306

7.4.3 加速比308

7.4.4 效率309

7.4.5 吞吐率、加速比和效率的关系310

7.4.6 流水线性能分析310

7.5 指令流水线的性能提高313

7.5.1 流水线的基本性能问题314

7.5.2 结构相关315

7.5.3 数据相关315

7.5.4 控制相关317

7.6 指令级并行概念322

7.6.1 指令流水线的限制322

7.6.2 突破限制的途径323

7.7 提高指令级并行的技术324

7.7.1 程序的相关324

7.7.2 指令调度325

7.7.3 乱序执行和寄存器重命名326

7.7.4 推测执行331

7.8 多发射处理器332

7.8.1 超标量处理器334

7.8.2 超长指令字处理器336

7.8.3 多发射处理器的限制339

7.9 指令级并行的限制339

习题340

第8章 总线与输入输出系统344

8.1 总线与输入输出系统概述344

8.2 总线346

8.2.1 总线类型与结构346

8.2.2 总线的信息传输方式352

8.2.3 总线仲裁357

8.2.4 典型的总线362

8.3 输入输出接口366

8.4 输入输出技术369

8.4.1 程序查询方式369

8.4.2 中断方式370

8.4.3 直接存储器存取方式381

8.4.4 I/O通道方式386

8.4.5 操作系统的支持391

习题393

第9章 并行体系结构395

9.1 计算机体系结构的并行性395

9.2 计算机体系结构的分类398

9.3 阵列处理机和向量处理机400

9.3.1 阵列处理机400

9.3.2 向量处理机402

9.4 互连网络407

9.4.1 基本概念407

9.4.2 网络拓扑结构408

9.4.3 常用的互连模式和互连网络424

9.5 多处理器系统430

9.5.1 UMA对称多处理器系统430

9.5.2 NUMA对称多处理器439

9.5.3 Sun T1多处理器442

9.6 多计算机系统442

9.6.1 多计算机的概念443

9.6.2 MPP447

9.6.3 机群451

9.7 网格457

9.7.1 网格概述457

9.7.2 Globus体系结构460

9.7.3 网格计算用户案例461

9.7.4 网格的难题463

9.8 并行处理面临的挑战464

习题465

第10章 计算机系统设计470

10.1 概述470

10.1.1 数字系统设计的发展470

10.1.2 IP核471

10.1.3 数字系统的设计方法472

10.2 设计语言与工具473

10.2.1 EDA工具软件分类473

10.2.2 硬件描述语言HDL474

10.2.3 SystemC484

10.2.4 QuartusⅡ486

10.3 基于VHDL的CPU设计487

10.3.1 单元电路的设计487

10.3.2 CPU设计概要500

10.4 SoC设计523

10.4.1 概述523

10.4.2 SoC片内总线528

10.4.3 IP核设计与复用536

10.4.4 SoC设计举例542

10.5 基于可配置处理器的SoC设计545

10.5.1 问题的由来545

10.5.2 Tensilica Xtensa可配置处理器546

习题553

参考文献554