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第1章 计算机组成原理概论1

1.1计算机系统的发展与应用1

1.1.1计算机的产生1

1.1.2计算机的发展3

1.1.3微型计算机的发展6

1.1.4计算机的应用9

1.2计算机的分类和性能指标12

1.2.1按计算机体系结构分类12

1.2.2按计算机的用途分类14

1.2.3按计算机的使用方式分类14

1.2.4按计算机的规模分类15

1.2.5计算机的性能指标16

1.3计算机系统的基本组成18

1.3.1计算机硬件系统19

1.3.2计算机软件系统21

1.3.3计算机系统的层次结构23

本章小结25

习题126

第2章 计算机硬件基础27

2.1半导体器件的开关特性27

2.1.1二极管的开关特性27

2.1.2三极管的开关特性29

2.1.3 MOS管的开关特性30

2.2基本逻辑运算和基本门电路30

2.2.1逻辑变量和逻辑表达式30

2.2.2逻辑门31

2.2.3逻辑代数的基本定律35

2.2.4逻辑函数的化简36

2.3组合逻辑电路实例41

2.3.1加法器42

2.3.2算术逻辑部件45

2.3.3译码器48

2.3.4数据选择器50

2.4时序逻辑电路51

2.4.1触发器和锁存器51

2.4.2寄存器53

2.4.3移位寄存器53

2.4.4计数器54

2.5计算机芯片的制造过程58

2.5.1制造芯片的准备阶段59

2.5.2光刻蚀60

2.5.3掺杂60

2.5.4测试、切割和封装61

本章小结62

习题262

第3章 信息编码与数据表示65

3.1数值数据的表示65

3.1.1进位计数制65

3.1.2不同数制之间数的相互转换67

3.1.3十进制数的编码68

3.2数据格式71

3.2.1机器数71

3.2.2小数点的表示方法72

3.3定点机器数表示方法74

3.3.1原码表示法74

3.3.2补码表示法75

3.3.3反码表示法77

3.3.4移码表示法78

3.3.5定点机器数转换79

3.4浮点机器数表示方法81

3.4.1浮点数的格式81

3.4.2浮点数的规格化表示82

3.4.3浮点数的表示范围84

3.5非数值数据的表示85

3.5.1字符编码85

3.5.2汉字编码88

3.6校验码91

3.6.1奇偶校验码92

3.6.2海明校验码93

3.6.3循环冗余检验码95

3.7现代计算机系统的数据表示99

本章小结100

习题3101

第4章 运算方法与运算器104

4.1定点数的加减运算及实现104

4.1.1补码加减运算及运算器104

4.1.2机器数的移位运算108

4.1.3移码加减运算与判溢110

4.1.4十进制加法运算111

4.2定点数的乘法运算及实现112

4.2.1原码乘法及实现113

4.2.2补码乘法及实现116

4.2.3阵列乘法器120

4.3定点数除法运算及实现122

4.3.1原码除法及实现123

4.3.2补码除法及实现127

4.3.3阵列除法器131

4.4定点运算器的组成与结构132

4.4.1定点运算器的组成132

4.4.2定点运算器的内部总线结构与通路133

4.4.3标志寄存器137

4.5浮点运算及运算器138

4.5.1浮点加减运算138

4.5.2浮点乘法运算143

4.5.3浮点除法运算145

4.5.4浮点运算器148

4.6浮点运算器举例149

4.6.1 80x87算术协处理器149

4.6.2浮点运算流水线155

本章小结156

习题4157

第5章 存储体系160

5.1存储体系概述160

5.1.1存储器的分类160

5.1.2存储器的层次结构161

5.2主存储器163

5.2.1主存储器性能指标163

5.2.2主存储器的工作原理164

5.2.3随机读写存储器165

5.2.4只读存储器175

5.2.5高性能的主存储器177

5.3主存储器与CPU的连接179

5.3.1存储器芯片介绍180

5.3.2存储容量的扩展181

5.3.3主存储器与CPU的连接183

5.4高速存储器188

5.4.1双端口存储器188

5.4.2多体交叉存储器190

5.4.3相联存储器193

5.5高速缓冲存储器194

5.5.1 Cache的基本原理195

5.5.2主存储器与Cache的地址映射方式197

5.5.3替换算法200

5.5.4写策略201

5.5.5 Cache的多层次设计202

5.6虚拟存储器205

5.7外存储器207

5.7.1磁盘存储器207

5.7.2 RAID210

5.7.3光盘存储器214

5.7.4闪速存储器215

5.8存储保护220

5.9 IA32架构的存储系统举例221

5.9.1P6微架构下的Cache221

5.9.2 Intel NetBurst微架构下的Cache223

5.9.3 Intel Core微架构的多核高效内存管理技术224

本章小结227

习题5227

第6章 指令系统230

6.1指令系统概述230

6.1.1指令与指令系统230

6.1.2指令系统的要求231

6.2指令格式232

6.2.1指令操作码与地址码232

6.2.2指令的操作码扩展234

6.3寻址方式235

6.3.1指令寻址236

6.3.2数据寻址236

6.4指令类型242

6.5指令系统的发展244

6.5.1指令系统的发展历程244

6.5.2 CISC的特点245

6.5.3 RISC的特点246

6.6指令系统举例247

6.6.1 Pentium指令系统（CISC）247

6.6.2 MIPS32指令系统（RISC）250

6.6.3模型机指令系统253

本章小结258

习题6259

第7章 控制器264

7.1控制器的组成及指令的执行264

7.1.1基本的计算机组成和功能264

7.1.2控制器的组成266

7.1.3时序及控制方式267

7.2数据通路和指令的执行过程271

7.2.1简单计算机系统的数据通路271

7.2.2简单计算机系统主机各部件的实现方案274

7.2.3简单计算机系统中指令的执行过程276

7.2.4 MIPS单周期CPU的数据通路和指令的执行过程280

7.3硬布线控制器291

7.3.1控制器的设计方法291

7.3.2硬布线控制器的结构与原理292

7.3.3硬布线控制器的时序系统293

7.3.4硬布线控制器设计举例296

7.3.5 MIPS硬布线多周期CPU的设计303

7.4微程序控制器319

7.4.1微程序控制的基本概念和工作原理320

7.4.2简单微程序控制器的设计321

7.4.3微程序设计技术325

7.4.4微程序控制方式下模型机的设计实例334

7.4.5微程序控制器与硬布线控制器的比较346

本章小结346

习题7347

第8章 输入输出系统352

8.1概述352

8.1.1输入输出系统的构成352

8.1.2外设与CPU的连接354

8.1.3 I/O指令格式355

8.2输入输出接口356

8.2.1I/O接口的功能356

8.2.2 I/O接口的组成357

8.3主机与外设交换信息的方式359

8.3.1程序查询方式359

8.3.2程序中断方式360

8.3.3直接存储器访问方式361

8.3.4通道与输入输出处理机方式361

8.4中断系统362

8.4.1中断的基本概念362

8.4.2中断请求与判优365

8.4.3中断响应371

8.4.4中断服务与返回373

本章小结376

习题8377

第9章 总线379

9.1总线的基本概念379

9.1.1总线的特性379

9.1.2总线的分类380

9.1.3总线的性能指标381

9.2系统总线的结构382

9.3总线信息的传送方式385

9.4总线仲裁和定时386

9.4.1总线仲裁386

9.4.2总线的定时390

9.5实用总线标准391

9.5.1 ISA总线391

9.5.2 EISA总线392

9.5.3 PCI总线392

9.5.4 PCI Express总线397

9.5.5 RS-232C/RS-485接口总线400

9.5.6 USB接口总线402

9.5.7 IEEE 1394接口总线404

本章小结404

习题9405

第10章 流水线与并行处理技术408

10.1流水线原理408

10.1.1流水线基本概念408

10.1.2流水线分类411

10.1.3流水线性能分析413

10.2流水线相关及处理418

10.2.1结构相关419

10.2.2数据相关420

10.2.3控制相关424

10.2.4流水线的中断与处理429

10.3流水线的调度方法430

10.3.1非线性流水线的静态调度技术430

10.3.2流水线的动态调度技术433

10.4高级流水线技术437

10.4.1超标量流水线技术438

10.4.2超流水线技术444

10.4.3超标量超流水线技术446

10.4.4超长指令字技术447

10.4.5向量流水技术449

10.5并行处理技术457

10.5.1并行处理技术的基本概念457

10.5.2 SIMD阵列处理机458

10.5.3多处理机系统460

10.6 Pentium微处理器的系统结构465

10.6.1 PentiumⅡ微处理器465

10.6.2 Pentium 4微处理器468

10.7片上多核处理器架构470

10.7.1 Intel Core微架构471

10.7.2 IBM Cell架构475

本章小结477

习题10478

参考文献483