計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第1章  計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述  1
1.1  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念  1
1.1.1  計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展  1
1.1.2  計(jì)算機(jī)的應(yīng)用  3
1.1.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)  5
1.2  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)  6
1.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成  7
1.4  計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)  11
1.5.1  系統(tǒng)運(yùn)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(jià)格比  18
1.6  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展  19
1.6.1  馮·諾依曼機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變  19
1.6.2  軟件、應(yīng)用和器件對(duì)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(xí)題  23
第2章  邏輯部件基礎(chǔ)  24
2.1  計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)數(shù)器  41
2.3  時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——有限狀態(tài)機(jī)理論  42
2.4  陣列邏輯電路  44
2.4.1  只讀存儲(chǔ)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(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)  48
習(xí)題  49
第3章  運(yùn)算方法與實(shí)現(xiàn)電路  52
3.1  計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示與數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換  52
3.1.1  計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示方法與轉(zhuǎn)換  52
3.1.2  十進(jìn)制數(shù)的編碼與運(yùn)算  55
3.2  機(jī)器數(shù)的編碼表示及加減運(yùn)算  57
3.2.1  機(jī)器數(shù)的編碼表示  57
3.2.2  定點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算  61
3.2.3  定點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算溢出的處理  64
3.3  二進(jìn)制乘除法運(yùn)算  66
3.3.1  二進(jìn)制乘法運(yùn)算  66
3.3.2  二進(jìn)制除法運(yùn)算  75
3.4  浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法  80
3.4.1  浮點(diǎn)數(shù)的加減法運(yùn)算  80
3.4.2  浮點(diǎn)數(shù)的乘除法運(yùn)算  81
3.5  浮點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)  84
3.5.1  浮點(diǎn)數(shù)的表示格式  85
3.5.2  浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍  86
3.5.3  浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)精度  87
3.5.4  浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)效率  90
3.5.5  浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)基值的選擇  90
3.5.6  浮點(diǎn)數(shù)格式的設(shè)計(jì)  94
3.5.7  浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)的下溢處理方法  95
3.6  數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼  97
3.6.1  奇偶校驗(yàn)碼  97
3.6.2  海明校驗(yàn)碼  98
3.6.3  循環(huán)冗余校驗(yàn)碼  100
3.7  高級(jí)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(xí)題  111
第4章  指令系統(tǒng)  113
4.1  引言  113
4.1.1  傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jiǎn)指令系統(tǒng)  127
4.5  指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)  129
4.5.1  操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)  129
4.5.2  地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)  133
習(xí)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì)實(shí)例  148
5.4  微程序控制器的組成原理與實(shí)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(shè)計(jì)的技術(shù)問題  153
5.4.3  微程序控制器的設(shè)計(jì)實(shí)例  158
5.5  控制器的控制方式  160
習(xí)題  161
第6章  主存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)  163
6.1  存儲(chǔ)器分類  163
6.2  主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)  164
6.3  讀寫存儲(chǔ)器  165
6.3.1  靜態(tài)RAM  165
6.3.2  動(dòng)態(tài)RAM  169
6.4  非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器  172
6.4.1  只讀存儲(chǔ)器(ROM)  173
6.4.2  可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)  173
6.4.3  可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)  174
6.4.4  電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)  175
6.4.5  快速擦寫存儲(chǔ)器(Flash Memory)  177
6.4.6  幾種新型存儲(chǔ)器  178
6.5  主存儲(chǔ)器組成  179
6.5.1  位擴(kuò)展  180
6.5.2  字?jǐn)U展  180
6.5.3  字位擴(kuò)展  181
6.6  相聯(lián)存儲(chǔ)器  182
6.7  存儲(chǔ)系統(tǒng)與并行存儲(chǔ)器  183
6.7.1  存儲(chǔ)系統(tǒng)的概念  183
6.7.2  增加存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度  186
6.7.3  多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)  187
6.7.4  一種無沖突訪問的存儲(chǔ)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(chǔ)器原理  201
6.9.1  虛擬存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)  204
6.9.4  虛擬存儲(chǔ)器實(shí)例  205
習(xí)題  206
第7章  輔助存儲(chǔ)器  208
7.1  硬盤存儲(chǔ)設(shè)備  208
7.1.1  磁記錄原理與記錄方式  208
7.1.2  硬盤機(jī)的基本組成與分類  211
7.1.3  硬盤驅(qū)動(dòng)器和硬盤控制器  211
7.1.4  硬盤的主要技術(shù)指標(biāo)  213
7.2  RAID(冗余磁盤陣列)  215
7.2.1  RAID 0級(jí)  216
7.2.2  RAID 1級(jí)  217
7.2.3  RAID 2級(jí)  218
7.2.4  RAID 3級(jí)  219
7.2.5  RAID 4級(jí)  220
7.2.6  RAID 5級(jí)  221
7.3  軟盤存儲(chǔ)設(shè)備  221
7.3.1  軟盤片  221
7.3.2  軟盤驅(qū)動(dòng)器和控制器  222
7.4  激光存儲(chǔ)設(shè)備  223
7.4.1  光盤存儲(chǔ)器的種類  224
7.4.2  光盤的讀寫原理  225
7.4.3  光盤驅(qū)動(dòng)器及接口  226
習(xí)題  227
第8章  輸入輸出設(shè)備及系統(tǒng)  228
8.1  輸入輸出設(shè)備的概述  228
8.1.1  輸入輸出設(shè)備的作用  228
8.1.2  輸入輸出設(shè)備的分類  229
8.2  顯示設(shè)備  230
8.2.1  顯示設(shè)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(shè)備  235
8.2.4  圖像顯示設(shè)備  237
8.2.5  液晶顯示器  238
8.3  輸入設(shè)備  241
8.3.1  圖形輸入設(shè)備  241
8.3.2  圖像輸入設(shè)備  242
8.3.3  語音輸入設(shè)備  242
8.4  打印設(shè)備  243
8.4.1  打印設(shè)備的分類  243
8.4.2  點(diǎn)陣針式打印機(jī)  243
8.4.3  激光打印機(jī)  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(chǔ)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(xí)題  272
第9章  流水線處理機(jī)及設(shè)計(jì)  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(jī)的結(jié)構(gòu)  276
9.1.3  先行控制方式中緩沖深度的設(shè)計(jì)  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(jiǎn)介  291
9.4  其他結(jié)構(gòu)的高性能處理機(jī)  292
9.4.1  超標(biāo)量處理機(jī)  293
9.4.2  超流水線處理機(jī)  294
9.4.3  超標(biāo)量超流水線處理機(jī)  295
9.4.4  超長(zhǎng)指令字技術(shù)  296
習(xí)題  298
第10章  向量處理機(jī)  299
10.1  向量處理機(jī)的基本概念  299
10.1.1  向量的概念  299
10.1.2  向量運(yùn)算指令  302
10.2  向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)  306
10.2.1  存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)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(jī)實(shí)例  310
10.3.1  銀河YH-1向量處理機(jī)  310
10.3.2  Cray系列機(jī)  311
10.3.3  Fujitsu VP2000/VPP 500系列向量處理機(jī)  311
10.4  向量協(xié)處理機(jī)  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(shí)例  314
10.5  向量處理機(jī)的性能分析  316
習(xí)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(jí)和分類  324
11.2  并行處理機(jī)基本結(jié)構(gòu)  325
11.2.1  并行處理機(jī)的典型結(jié)構(gòu)  325
11.2.2  并行處理機(jī)的特點(diǎn)  327
11.3  SIMD計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)  327
11.3.1  Illiac IV計(jì)算機(jī)  328
11.3.2  Burroughs BSP計(jì)算機(jī)  332
11.3.3  CM-2計(jì)算機(jī)  336
11.4  SIMD計(jì)算機(jī)的應(yīng)用  339
11.4.1  連續(xù)模型及差分計(jì)算  339
11.4.2  陣列處理機(jī)的幾種基本算法  341
習(xí)題  345
第12章  互連網(wǎng)絡(luò)與多處理機(jī)  347
12.1  互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念  347
12.1.1  互連網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)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(luò)的種類  354
12.2  靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)  355
12.2.1  靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)  356
12.2.2  靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)特性  359
12.3  動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)  360
12.3.1  動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)的互連形式  360
12.3.2  多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)  364
12.4  互連網(wǎng)絡(luò)的消息傳遞機(jī)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(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)與分類  382
12.5.1  基本結(jié)構(gòu)  382
12.5.2  多處理機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)  383
12.5.3  多處理機(jī)系統(tǒng)的Cache一致性問題  384
12.6  典型的多處理機(jī)系統(tǒng)  388
12.6.1  MPP大規(guī)模并行多處理機(jī)系統(tǒng)  388
12.6.2  CM-5系統(tǒng)  389
12.6.3  SGI Origin 2000系列服務(wù)器  392
12.7  機(jī)群系統(tǒng)  397
12.7.1  機(jī)群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)  397
12.7.2  機(jī)群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)  398
12.7.3  幾種典型的機(jī)群系統(tǒng)  400
習(xí)題  401
參考文獻(xiàn)  403