計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第1章  計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述  1
1.1  計算機系統(tǒng)概念  1
1.1.1  計算機的產(chǎn)生與發(fā)展  1
1.1.2  計算機的應用  3
1.1.3  計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)  5
1.2  計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)  6
1.3  計算機系統(tǒng)組成  7
1.4  計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類  8
1.4.1  弗林分類法  8
1.4.2  馮氏分類法  10
1.4.3  海德勒分類法  11
1.5  計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價  11
1.5.1  系統(tǒng)運行速度  12
1.5.2  加速比  14
1.5.3  CPU性能  16
1.5.4  系統(tǒng)的性能價格比  18
1.6  計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展  19
1.6.1  馮·諾依曼機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變  19
1.6.2  軟件、應用和器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響  20
1.6.3  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展  22
習題  23
第2章  邏輯部件基礎  24
2.1  計算機中常用的組合邏輯電路  24
2.1.1  加法器  25
2.1.2  算術(shù)邏輯單元  28
2.1.3  數(shù)值比較器  32
2.1.4  數(shù)據(jù)選擇器  34
2.1.5  譯碼器  36
2.2  時序邏輯電路  37
2.2.1  觸發(fā)器  38
2.2.2  寄存器和移位寄存器  39
2.2.3  計數(shù)器  41
2.3  時序邏輯電路設計基礎——有限狀態(tài)機理論  42
2.4  陣列邏輯電路  44
2.4.1  只讀存儲器(ROM)  44
2.4.2  可編程邏輯陣列PLA  46
2.4.3  可編程陣列邏輯PAL  47
2.4.4  通用陣列邏輯GAL  48
2.4.5  復雜可編程邏輯器件(CPLD)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)  48
習題  49
第3章  運算方法與實現(xiàn)電路  52
3.1  計算機中數(shù)據(jù)的表示與數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換  52
3.1.1  計算機中數(shù)據(jù)的表示方法與轉(zhuǎn)換  52
3.1.2  十進制數(shù)的編碼與運算  55
3.2  機器數(shù)的編碼表示及加減運算  57
3.2.1  機器數(shù)的編碼表示  57
3.2.2  定點數(shù)加減運算  61
3.2.3  定點數(shù)加減運算溢出的處理  64
3.3  二進制乘除法運算  66
3.3.1  二進制乘法運算  66
3.3.2  二進制除法運算  75
3.4  浮點數(shù)的運算方法  80
3.4.1  浮點數(shù)的加減法運算  80
3.4.2  浮點數(shù)的乘除法運算  81
3.5  浮點數(shù)設計  84
3.5.1  浮點數(shù)的表示格式  85
3.5.2  浮點數(shù)的表示范圍  86
3.5.3  浮點數(shù)的表數(shù)精度  87
3.5.4  浮點數(shù)的表數(shù)效率  90
3.5.5  浮點數(shù)的尾數(shù)基值的選擇  90
3.5.6  浮點數(shù)格式的設計  94
3.5.7  浮點數(shù)尾數(shù)的下溢處理方法  95
3.6  數(shù)據(jù)校驗碼  97
3.6.1  奇偶校驗碼  97
3.6.2  海明校驗碼  98
3.6.3  循環(huán)冗余校驗碼  100
3.7  高級數(shù)據(jù)表示  103
3.7.1  自定義數(shù)據(jù)表示  103
3.7.2  向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示  108
3.7.3  堆棧數(shù)據(jù)表示  108
3.7.4  引入數(shù)據(jù)表示的原則  109
習題  111
第4章  指令系統(tǒng)  113
4.1  引言  113
4.1.1  傳統(tǒng)計算機指令系統(tǒng)的設計技術(shù)  113
4.1.2  指令系統(tǒng)發(fā)展的兩種途徑CISC和RISC  114
4.2  指令格式  117
4.2.1  指令字長度  117
4.2.2  操作碼  117
4.2.3  地址碼  119
4.2  尋址技術(shù)  122
4.3.1  指令尋址方式  122
4.3.2  操作數(shù)尋址方式  123
4.4  典型的指令系統(tǒng)  125
4.4.1  指令的分類  125
4.4.2  精簡指令系統(tǒng)  127
4.5  指令系統(tǒng)的優(yōu)化設計  129
4.5.1  操作碼的優(yōu)化設計  129
4.5.2  地址碼的優(yōu)化設計  133
習題  137
第5章  控制器組成原理  140
5.1  控制器的基本功能及結(jié)構(gòu)  140
5.1.1  控制器的功能  140
5.1.2  控制器的基本組成  141
5.2  指令的執(zhí)行過程  143
5.2.1  時序系統(tǒng)  143
5.2.2  指令的執(zhí)行過程  144
5.2.3  指令的執(zhí)行過程舉例  145
5.3  硬布線控制器的組成原理與實現(xiàn)方法  146
5.3.1  硬布線控制器的組成原理  147
5.3.2  硬布線控制器的設計實例  148
5.4  微程序控制器的組成原理與實現(xiàn)方法  151
5.4.1  微程序控制器的基本原理  151
5.4.2  微程序設計的技術(shù)問題  153
5.4.3  微程序控制器的設計實例  158
5.5  控制器的控制方式  160
習題  161
第6章  主存儲器與存儲系統(tǒng)  163
6.1  存儲器分類  163
6.2  主存儲器的主要技術(shù)指標  164
6.3  讀寫存儲器  165
6.3.1  靜態(tài)RAM  165
6.3.2  動態(tài)RAM  169
6.4  非易失性半導體存儲器  172
6.4.1  只讀存儲器(ROM)  173
6.4.2  可編程只讀存儲器(PROM)  173
6.4.3  可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)  174
6.4.4  電可擦除可編程只讀存儲器(E2PROM)  175
6.4.5  快速擦寫存儲器(Flash Memory)  177
6.4.6  幾種新型存儲器  178
6.5  主存儲器組成  179
6.5.1  位擴展  180
6.5.2  字擴展  180
6.5.3  字位擴展  181
6.6  相聯(lián)存儲器  182
6.7  存儲系統(tǒng)與并行存儲器  183
6.7.1  存儲系統(tǒng)的概念  183
6.7.2  增加存儲器的數(shù)據(jù)寬度  186
6.7.3  多體交叉存儲技術(shù)  187
6.7.4  一種無沖突訪問的存儲器  190
6.8  高速緩沖器Cache  193
6.8.1  Cache的工作原理  193
6.8.2  Cache的地址映像與地址變換  194
6.8.3  替換算法  199
6.8.4  Cache的加速比  200
6.9  虛擬存儲器原理  201
6.9.1  虛擬存儲器的工作原理  201
6.9.2  地址映像與變換  201
6.9.3  頁面替換算法及其實現(xiàn)  204
6.9.4  虛擬存儲器實例  205
習題  206
第7章  輔助存儲器  208
7.1  硬盤存儲設備  208
7.1.1  磁記錄原理與記錄方式  208
7.1.2  硬盤機的基本組成與分類  211
7.1.3  硬盤驅(qū)動器和硬盤控制器  211
7.1.4  硬盤的主要技術(shù)指標  213
7.2  RAID(冗余磁盤陣列)  215
7.2.1  RAID 0級  216
7.2.2  RAID 1級  217
7.2.3  RAID 2級  218
7.2.4  RAID 3級  219
7.2.5  RAID 4級  220
7.2.6  RAID 5級  221
7.3  軟盤存儲設備  221
7.3.1  軟盤片  221
7.3.2  軟盤驅(qū)動器和控制器  222
7.4  激光存儲設備  223
7.4.1  光盤存儲器的種類  224
7.4.2  光盤的讀寫原理  225
7.4.3  光盤驅(qū)動器及接口  226
習題  227
第8章  輸入輸出設備及系統(tǒng)  228
8.1  輸入輸出設備的概述  228
8.1.1  輸入輸出設備的作用  228
8.1.2  輸入輸出設備的分類  229
8.2  顯示設備  230
8.2.1  顯示設備的概念與分類  230
8.2.2  CRT顯示器  231
8.2.3  字符/圖形顯示設備  235
8.2.4  圖像顯示設備  237
8.2.5  液晶顯示器  238
8.3  輸入設備  241
8.3.1  圖形輸入設備  241
8.3.2  圖像輸入設備  242
8.3.3  語音輸入設備  242
8.4  打印設備  243
8.4.1  打印設備的分類  243
8.4.2  點陣針式打印機  243
8.4.3  激光打印機  244
8.5  輸入輸出系統(tǒng)  246
8.5.1  輸入輸出系統(tǒng)的概述  246
8.5.2  程序查詢方式  248
8.5.3  程序中斷方式  249
8.5.4  直接存儲器存取(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  總線  265
8.6.1  總線的概念  265
8.6.2  總線的連接方式  265
8.6.3  總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)  267
8.6.4  幾種常用的總線結(jié)構(gòu)  267
習題  272
第9章  流水線處理機及設計  274
9.1  先行控制技術(shù)  274
9.1.1  重疊控制與先行控制  274
9.1.2  先行控制方式中處理機的結(jié)構(gòu)  276
9.1.3  先行控制方式中緩沖深度的設計  277
9.1.4  數(shù)據(jù)相關(guān)  278
9.1.5  控制相關(guān)  279
9.2  流水線工作原理  280
9.2.1  流水線的工作原理及定義  280
9.2.2  流水線的分類  281
9.3  流水線性能分析  284
9.3.1  線性流水線的性能分析  284
9.3.2  線性流水線的性能分析舉例  289
9.3.3  非線性流水線的調(diào)度技術(shù)簡介  291
9.4  其他結(jié)構(gòu)的高性能處理機  292
9.4.1  超標量處理機  293
9.4.2  超流水線處理機  294
9.4.3  超標量超流水線處理機  295
9.4.4  超長指令字技術(shù)  296
習題  298
第10章  向量處理機  299
10.1  向量處理機的基本概念  299
10.1.1  向量的概念  299
10.1.2  向量運算指令  302
10.2  向量處理機的結(jié)構(gòu)  306
10.2.1  存儲器-存儲器結(jié)構(gòu)  306
10.2.2  寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)  308
10.3  向量處理機實例  310
10.3.1  銀河YH-1向量處理機  310
10.3.2  Cray系列機  311
10.3.3  Fujitsu VP2000/VPP 500系列向量處理機  311
10.4  向量協(xié)處理機  313
10.4.1  向量協(xié)處理器的地位  313
10.4.2  向量協(xié)處理器實例  314
10.5  向量處理機的性能分析  316
習題  321
第11章  并行處理  323
11.1  并行處理的概念  323
11.1.1  并行性  323
11.1.2  并行性的等級和分類  324
11.2  并行處理機基本結(jié)構(gòu)  325
11.2.1  并行處理機的典型結(jié)構(gòu)  325
11.2.2  并行處理機的特點  327
11.3  SIMD計算機基本結(jié)構(gòu)  327
11.3.1  Illiac IV計算機  328
11.3.2  Burroughs BSP計算機  332
11.3.3  CM-2計算機  336
11.4  SIMD計算機的應用  339
11.4.1  連續(xù)模型及差分計算  339
11.4.2  陣列處理機的幾種基本算法  341
習題  345
第12章  互連網(wǎng)絡與多處理機  347
12.1  互連網(wǎng)絡的基本概念  347
12.1.1  互連網(wǎng)絡在計算機系統(tǒng)中的作用  347
12.1.2  主要特性和性能參數(shù)  348
12.1.3  互連函數(shù)  350
12.1.4  互連網(wǎng)絡的種類  354
12.2  靜態(tài)互連網(wǎng)絡  355
12.2.1  靜態(tài)互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)  356
12.2.2  靜態(tài)互連網(wǎng)絡特性  359
12.3  動態(tài)互連網(wǎng)絡  360
12.3.1  動態(tài)互連網(wǎng)絡的互連形式  360
12.3.2  多級互連網(wǎng)絡  364
12.4  互連網(wǎng)絡的消息傳遞機制  373
12.4.1  消息尋徑  374
12.4.2  死鎖和虛擬通道  376
12.4.3  單播方式的尋徑  378
12.4.4  廣播方式下的尋徑  381
12.5  多處理機系統(tǒng)特點與分類  382
12.5.1  基本結(jié)構(gòu)  382
12.5.2  多處理機系統(tǒng)特點  383
12.5.3  多處理機系統(tǒng)的Cache一致性問題  384
12.6  典型的多處理機系統(tǒng)  388
12.6.1  MPP大規(guī)模并行多處理機系統(tǒng)  388
12.6.2  CM-5系統(tǒng)  389
12.6.3  SGI Origin 2000系列服務器  392
12.7  機群系統(tǒng)  397
12.7.1  機群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點  397
12.7.2  機群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)  398
12.7.3  幾種典型的機群系統(tǒng)  400
習題  401
參考文獻  403