計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第1章  緒論  1
1.1  計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念  1
1.2  計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史  2 1.2.1  機(jī)械式計(jì)算機(jī)的發(fā)展  2 1.2.2  電子計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的發(fā)展  3 1.2.3  微處理器的發(fā)展  7 1.2.4  從模擬計(jì)算機(jī)到數(shù)字計(jì)算機(jī)  8 1.2.5  計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展  9
1.3  計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類  13 1.3.1  馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)  13 1.3.2  哈佛體系結(jié)構(gòu)  14 1.3.3  Flynn計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的
分類  15 1.3.4  馮澤云分類法  16 1.3.5  計(jì)算機(jī)的語言層次結(jié)構(gòu)  16 1.3.6  計(jì)算機(jī)的總線組織結(jié)構(gòu)  17 1.3.7  計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)  19
1.4  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)  19 1.4.1  摩爾定律  19 1.4.2  性能測(cè)試程序  19 1.4.3  基本性能指標(biāo)  20 1.4.4  Amdahl定律  23
1.5  計(jì)算機(jī)的應(yīng)用  24
習(xí)題1  25 第2章  數(shù)的表示與計(jì)算體系  27
2.1  進(jìn)位計(jì)數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換  27 2.1.1  進(jìn)位計(jì)數(shù)制  27 2.1.2  數(shù)制間的轉(zhuǎn)換  30
2.2  無符號(hào)數(shù)與文字的表示  32 2.2.1  無符號(hào)數(shù)的表示  32 2.2.2  十進(jìn)制數(shù)串的表示  33 2.2.3  西文字符在計(jì)算機(jī)中的
表示  33 2.2.4  中文字符在計(jì)算機(jī)中的
表示  34 2.2.5  布爾代數(shù)與布爾邏輯  35
2.3  帶符號(hào)數(shù)的表示  38 2.3.1  機(jī)器數(shù)與真值  38 2.3.2  原碼表示  39 2.3.3  補(bǔ)碼表示  40 2.3.4  反碼表示  41 2.3.5  移碼表示  42
2.4  定點(diǎn)數(shù)與定點(diǎn)運(yùn)算  43 2.4.1  定點(diǎn)表示  43 2.4.2  加法與減法運(yùn)算  43 2.4.3  原碼乘法運(yùn)算  45 2.4.4  原碼除法運(yùn)算  47 2.4.5  補(bǔ)碼乘法運(yùn)算  47 2.4.6  補(bǔ)碼除法運(yùn)算  50 2.4.7  移位運(yùn)算  50 2.4.8  運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)  52
2.5  浮點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)運(yùn)算  55 2.5.1  浮點(diǎn)表示  55 2.5.2  IEEE754浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)  57 2.5.3  浮點(diǎn)加減運(yùn)算  59 2.5.4  浮點(diǎn)乘除運(yùn)算  61 2.5.5  浮點(diǎn)運(yùn)算流水線  62
2.6  BCD碼  63 2.6.1  BCD碼的格式  63 2.6.2  BCD碼加減法  64 2.6.3  BCD碼乘除法  65
2.7  數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼  65 2.7.1  碼距與數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼  65 2.7.2  奇偶校驗(yàn)碼  66 2.7.3  循環(huán)冗余校驗(yàn)碼  67 2.7.4  海明校驗(yàn)碼  70
2.8  時(shí)序邏輯電路  72 2.8.1  觸發(fā)器  72 2.8.2  寄存器  73 2.8.3  計(jì)數(shù)器  74
2.9  組合邏輯電路  74 2.9.1  三態(tài)電路  74 2.9.2  比較器  74 2.9.3  加法器  75 2.9.4  編碼器  75 2.9.5  譯碼器  76 2.9.6  數(shù)據(jù)選擇器  76 2.9.7  總線  76
2.10  陣列邏輯電路  77 2.10.1  陣列乘法器  77 2.10.2  陣列除法器  79 2.10.3  可編程邏輯陣列(PLA)  79 2.10.4  可編程陣列邏輯(PAL)  80
習(xí)題2  80 第3章  指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)  82
3.1  指令類型與功能  82 3.1.1  數(shù)據(jù)傳送指令  84 3.1.2  算術(shù)運(yùn)算指令  85 3.1.3  邏輯運(yùn)算指令  85 3.1.4  算術(shù)移位指令  86 3.1.5  邏輯移位指令  87 3.1.6  堆棧操作指令  88 3.1.7  程序控制指令  88 3.1.8  輸入輸出指令  90 3.1.9  其他指令  91
3.2  數(shù)據(jù)類型  91 3.2.1  數(shù)值數(shù)據(jù)類型  91 3.2.2  字符類型  92 3.2.3  邏輯數(shù)據(jù)類型  92
3.3  尋址方式  92 3.3.1  指令尋址  93 3.3.2  操作數(shù)尋址  94
3.4  指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法  101 3.4.1  地址結(jié)構(gòu)劃分方法  101 3.4.2  指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟  103 3.4.3  指令的操作碼編碼  103 3.4.4  指令的地址碼編址  105 3.4.5  Huffman優(yōu)化編碼方法  106
3.5  CISC與RISC指令系統(tǒng)
設(shè)計(jì)  107 3.5.1  復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)
(CISC)  107 3.5.2  精簡指令集計(jì)算機(jī)
(RISC)  108
3.6  80x86/Pentium指令系統(tǒng)  109 3.6.1  80x86指令系統(tǒng)主要特征  109 3.6.2  80x86尋址方式  109 3.6.3  8088/8086 CPU的指令系統(tǒng)
分類  111 3.6.4  Pentium指令系統(tǒng)  116 3.6.5  80x86/Pentium常用偽
指令  117
3.7  ARM指令系統(tǒng)  118 3.7.1  ARM指令系統(tǒng)主要特征  118 3.7.2  ARM尋址方式  119 3.7.3  ARM指令系統(tǒng)分類  120 3.7.4  Thumb指令及應(yīng)用  121 3.7.5  ARM匯編語言的偽操作  122 3.7.6  ARM匯編語言的程序
結(jié)構(gòu)  122
3.8  MIPS指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)  123 3.8.1  MIPS概述  123 3.8.2  MIPS指令格式  124
習(xí)題3  127 第4章  中央處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  129
4.1  CPU的基本結(jié)構(gòu)  129
4.2  CPU中的主要寄存器  130 4.2.1  用戶可見寄存器  130 4.2.2  控制和狀態(tài)寄存器  131
4.3  控制器的結(jié)構(gòu)  132 4.3.1  指令執(zhí)行的基本步驟  132 4.3.2  控制器的組成  133 4.3.3  時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式  135
4.4  組合邏輯控制器設(shè)計(jì)  138 4.4.1  組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)
原理  138 4.4.2  方框圖語言與指令流程分析/
數(shù)據(jù)通路分析  139 4.4.3  MIPS的單周期設(shè)計(jì)方案  143 4.4.4  MIPS的多周期設(shè)計(jì)方案  146 4.4.5  MIPS控制器的設(shè)計(jì)  148
4.5  微程序控制器設(shè)計(jì)  150 4.5.1  微程序控制器的設(shè)計(jì)原理  150 4.5.2  微程序控制器的組成  152 4.5.3  微程序控制器設(shè)計(jì)步驟  153 4.5.4  微指令的編譯方法  154 4.5.5  微程序的順序控制方式  155 4.5.6  微指令的執(zhí)行方式  158 4.5.7  微指令格式的設(shè)計(jì)方法  159 4.5.8  微程序設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用  161
4.6  流水線工作原理  163 4.6.1  指令的執(zhí)行方式  163 4.6.2  流水線的分類  166 4.6.3  線性流水線的性能  167 4.6.4  流水線的相關(guān)問題  169
4.7  典型的處理器設(shè)計(jì)  170 4.7.1  Intel的Pentium處理器結(jié)構(gòu)
與設(shè)計(jì)  170 4.7.2  ARM系列處理器結(jié)構(gòu)
與設(shè)計(jì)  171 4.7.3  SUN的SPARC系統(tǒng)  172 4.7.4  多核處理器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)  172 4.7.5  龍芯系列處理器的結(jié)構(gòu)
與設(shè)計(jì)  175
習(xí)題4  175 第5章  存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  178
5.1  存儲(chǔ)器概述  178 5.1.1  存儲(chǔ)器分類  178 5.1.2  存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)  180 5.1.3  存儲(chǔ)器的層次體系結(jié)構(gòu)  181
5.2  Cache存儲(chǔ)器  181 5.2.1  Cache的基本結(jié)構(gòu)  181 5.2.2  Cache-主存地址映射  183 5.2.3  Cache替換策略  186
5.3  隨機(jī)存儲(chǔ)器與只讀存儲(chǔ)器  188 5.3.1  隨機(jī)存儲(chǔ)器  188 5.3.2  只讀存儲(chǔ)器ROM  192 5.3.3  并行存儲(chǔ)器  194
5.4  外部存儲(chǔ)器和RAID  198 5.4.1  磁表面存儲(chǔ)器的原理  198 5.4.2  磁盤存儲(chǔ)器  200 5.4.3  磁帶存儲(chǔ)器  203 5.4.4  光盤存儲(chǔ)器  204 5.4.5  固態(tài)盤存儲(chǔ)器  206 5.4.6  RAID  207
5.5  虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)  208 5.5.1  程序運(yùn)行的局部性原理  208 5.5.2  請(qǐng)求分頁式存儲(chǔ)管理方式  209 5.5.3  請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理方式  215 5.5.4  請(qǐng)求段頁式虛擬存儲(chǔ)器  217 5.5.5  快表與慢表  217 5.5.6  存儲(chǔ)共享與保護(hù)  218
5.6  網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)與容災(zāi)備份  219 5.6.1  網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)架構(gòu)  219 5.6.2  備份與容災(zāi)  220
習(xí)題5  221 第6章  I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)  223
6.1  輸入輸出(I/O)系統(tǒng)概述  223 6.1.1  I/O系統(tǒng)需要解決的主要
問題  223 6.1.2  I/O接口的結(jié)構(gòu)與功能  224 6.1.3  I/O接口的類型  225 6.1.4  輸入輸出設(shè)備的編址  226
6.2  程序查詢方式  227 6.2.1  程序查詢流程  227 6.2.2  程序查詢方式的接口電路  228
6.3  中斷輸入輸出方式  229 6.3.1  中斷的作用、產(chǎn)生和響應(yīng)  229 6.3.2  中斷處理流程  230 6.3.3  程序中斷設(shè)備接口的組成和
工作原理  231
6.4  DMA輸入輸出方式  233 6.4.1  DMA方式的特點(diǎn)與應(yīng)用
場(chǎng)合  233 6.4.2  DMA控制器組成  234 6.4.3  DMA的數(shù)據(jù)傳送過程  236
6.5  I/O通道和處理機(jī)  238 6.5.1  通道概述  238 6.5.2  通道的類型  239 6.5.3  通道的組成結(jié)構(gòu)  240 6.5.4  通道工作過程  241 6.5.5  I/O處理機(jī)  242
6.6  總線結(jié)構(gòu)  242 6.6.1  總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)  242 6.6.2  總線規(guī)范與性能  243 6.6.3  總線的組成與結(jié)構(gòu)  244 6.6.4  總線的設(shè)計(jì)與仲裁  245 6.6.5  總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送
模式  248
6.7  外部設(shè)備  249 6.7.1  輸入——鍵盤  249 6.7.2  輸入——鼠標(biāo)、跟蹤球和
操作桿輸入  251 6.7.3  輸入——圖像輸入設(shè)備(數(shù)碼
相機(jī)、攝像機(jī)和攝像頭)  251 6.7.4  輸入——語音錄入系統(tǒng)  252 6.7.5  輸入——光筆、手寫板、
繪圖板  253 6.7.6  輸入——條形碼與二維碼  253 6.7.7  輸入—— OCR技術(shù)和文字
輸入系統(tǒng)  255 6.7.8  輸出——顯示技術(shù)  256 6.7.9  輸出——打印機(jī)、繪圖儀  260 6.7.10  輸出——聲音輸出設(shè)備  262 6.7.11  交互式輸入/輸出——
觸摸屏  263 6.7.12  交互式輸入/輸出——
虛擬現(xiàn)實(shí)VR  264 6.7.13  交互式輸入/輸出——腦波
讀取和意念控制  265
6.8  外設(shè)接口  266 6.8.1  ISA/EISA  266 6.8.2  PCI/PCI-E  266 6.8.3  ATA (IDE)/PATA/SATA
接口  267 6.8.4  并行I/O標(biāo)準(zhǔn)接口SCSI和
SAS  267 6.8.5  光纖通道和InfiniBand  268 6.8.6  PCMCIA  268 6.8.7  DVI/HDMI  268 6.8.8  串行通信接口和USB  269 6.8.9  IEEE 1394/Firewire  270
習(xí)題6  271 第7章  并行處理與普適計(jì)算  272
7.1  并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  272 7.1.1  指令級(jí)并行和機(jī)器并行  272 7.1.2  并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  275
7.2  單處理機(jī)系統(tǒng)中的并行
機(jī)制  278 7.2.1  超線程和同時(shí)多線程
SMT  278 7.2.2  單芯片多核處理器CMP  280 7.2.3  協(xié)處理器  280 7.2.4  超標(biāo)量與超流水線  281
7.3  多處理機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)  283 7.3.1  系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)  283 7.3.2  多處理機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器
管理  286 7.3.3  多處理機(jī)系統(tǒng)中的通信  287 7.3.4  多處理機(jī)高速緩沖存儲(chǔ)器
一致性  289 7.3.5  多處理機(jī)的同步  295 7.3.6  多處理機(jī)實(shí)例  298
7.4  多處理機(jī)操作系統(tǒng)和算法  302 7.4.1  多處理機(jī)操作系統(tǒng)  302 7.4.2  并行處理機(jī)算法  303
7.5  從計(jì)算機(jī)到網(wǎng)絡(luò)  304 7.5.1  計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)  304 7.5.2  物聯(lián)網(wǎng)  305 7.5.3  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)  306 7.5.4  網(wǎng)格計(jì)算  306 7.5.5  云計(jì)算  307
7.6  普適計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算  308 7.6.1  普適計(jì)算  308 7.6.2  分布式計(jì)算  309 7.6.3  移動(dòng)計(jì)算和超移動(dòng)計(jì)算  309 7.6.4  迅馳技術(shù)  310 7.6.5  智能手機(jī)  310 7.6.6  筆記本電腦/平板電腦  311 7.6.7  PDA智能終端  311 7.6.8  車載智能終端  312
習(xí)題7  312 第8章  生物計(jì)算機(jī)  314
8.1  生物計(jì)算機(jī)概述  314 8.1.1  生物計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)  314 8.1.2  生物計(jì)算機(jī)種類  315
8.2  基因調(diào)控開關(guān)和生物芯片  316 8.2.1  轉(zhuǎn)換開關(guān)  316 8.2.2  Riboswitch  316 8.2.3  雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)  316 8.2.4  生物芯片  317
8.3  神經(jīng)(元)計(jì)算機(jī)  318 8.3.1  神經(jīng)(元)計(jì)算機(jī)的概述  318 8.3.2  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與算法  319 8.3.3  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式  320
8.4  DNA計(jì)算機(jī)  323 8.4.1  DNA計(jì)算機(jī)概述  323 8.4.2  DNA計(jì)算機(jī)的模型  324 8.4.3  DNA計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)  325
8.5  細(xì)胞計(jì)算機(jī)  326 8.5.1  細(xì)胞計(jì)算機(jī)概述  326 8.5.2  細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)  327
8.6  納米機(jī)器人  330 8.6.1  納米機(jī)器人概述  330 8.6.2  納米機(jī)器人結(jié)構(gòu)  331
習(xí)題8  334 第9章  光計(jì)算機(jī)  335
9.1  光計(jì)算機(jī)概述  335
9.2  光計(jì)算機(jī)基本原理  336 9.2.1  數(shù)字光計(jì)算  336 9.2.2  光學(xué)傅里葉變換  337 9.2.3  光學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)  339
9.3  激光通信  340 9.3.1  激光通信概述  340 9.3.2  激光通信的基本架構(gòu)  341 9.3.3  光發(fā)射機(jī)  342 9.3.4  光纖  343 9.3.5  光接收機(jī)  344 9.3.6  光放大器  345 9.3.7  光纖通信系統(tǒng)的主要性能
指標(biāo)  345 9.3.8  FDDI協(xié)議  347 9.3.9  光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論  347
9.4  光量子計(jì)算機(jī)  348 9.4.1  普朗克黑體輻射理論  348 9.4.2  愛因斯坦光電效應(yīng)方程  349 9.4.3  康普頓散射  350 9.4.4  光的波粒二象性  351 9.4.5  光量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)  352
習(xí)題9  353 第10章  量子計(jì)算機(jī)  354
10.1  量子計(jì)算機(jī)概述  354
10.2  量子態(tài)和量子編碼非經(jīng)典
特性  355 10.2.1  量子態(tài)的描述——波函數(shù)
和量子態(tài)疊加原理  355 10.2.2  量子態(tài)時(shí)間演化和計(jì)算
操作  356 10.2.3  量子糾纏現(xiàn)象  356 10.2.4  量子非克隆定理  357
10.3  量子位與量子邏輯門  357 10.3.1  量子位  357 10.3.2  量子邏輯門  359
10.4  量子算法  363 10.4.1  Shor算法  363 10.4.2  Grover算法  365
10.5  量子通信  367
10.6  量子加密  368 10.6.1  量子密鑰分配  368 10.6.2  無噪信道下的BB84
協(xié)議  368 10.6.3  有噪信道下的BB84
協(xié)議  369
10.7  量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)  370 10.7.1  光學(xué)量子計(jì)算機(jī)  370 10.7.2  離子阱量子計(jì)算機(jī)  371 10.7.3  中性原子量子計(jì)算機(jī)  371 10.7.4  超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)  372 10.7.5  腔量子電動(dòng)力學(xué)量子
計(jì)算機(jī)  372 10.7.6  量子點(diǎn)體系的量子
計(jì)算機(jī)  373
習(xí)題10  373 主要參考文獻(xiàn)  3