目錄 第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 1 1.1 計(jì)算機(jī)的分類 1 1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史 2 1.2.1 計(jì)算機(jī)的五代變化 2 1.2.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展 3 1.2.3 微處理器的發(fā)展 3 1.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 5 1.3 計(jì)算機(jī)的硬件 6 1.3.1 硬件組成要素 6 1.3.2 運(yùn)算器 8 1.3.3 存儲(chǔ)器 8 1.3.4 控制器 9 1.3.5 適配器與輸入/輸出設(shè)備 11 1.4 計(jì)算機(jī)的軟件 12 1.4.1 軟件的組成與分類 12 1.4.2 軟件的發(fā)展演變 12 1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 14 1.5.1 多級組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 14 1.5.2 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性 15 本章小結(jié) 15 習(xí)題 16 第2章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 17 2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示方法 17 2.1.1 數(shù)據(jù)格式 17 2.1.2 數(shù)的機(jī)器碼表示 19 2.1.3 字符與字符串的表示方法 24 2.1.4 漢字的表示方法 26 2.1.5 校驗(yàn)碼 27 2.2 定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 27 2.2.1 補(bǔ)碼加法 27 2.2.2 補(bǔ)碼減法 29 2.2.3 溢出概念與檢測方法 30 2.2.4 基本的二進(jìn)制加法/減法器 31 2.3 定點(diǎn)乘法運(yùn)算 33 2.4 定點(diǎn)除法運(yùn)算 38 2.4.1 原碼除法算法原理 38 2.4.2 并行除法器 39 2.5 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成 43 2.5.1 邏輯運(yùn)算 43 2.5.2 多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元 45 2.5.3 內(nèi)部總線 49 2.5.4 定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu) 49 2.6 浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器 51 2.6.1 浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 51 2.6.2 浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算 55 2.6.3 浮點(diǎn)運(yùn)算流水線 57 本章小結(jié) 60 習(xí)題 60 第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 62 3.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)概述 62 3.1.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 62 3.1.2 存儲(chǔ)器的分類 63 3.1.3 存儲(chǔ)器的編址和端模式 64 3.1.4 存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 65 3.2 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 65 3.2.1 基本的靜態(tài)存儲(chǔ)元陣列 66 3.2.2 基本的SRAM邏輯結(jié)構(gòu) 66 3.2.3 SRAM讀/寫時(shí)序 67 3.2.4 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充 68 3.3 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 69 3.3.1 DRAM存儲(chǔ)元的工作原理 69 3.3.2 DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu) 70 3.3.3 DRAM讀/寫時(shí)序 71 3.3.4 DRAM的刷新操作 71 3.3.5 突發(fā)傳輸模式 72 3.3.6 同步DRAM(SDRAM) 72 3.3.7 雙倍數(shù)據(jù)率SDRAM(DDR SDRAM) 76 3.3.8 DRAM讀/寫校驗(yàn) 76 3.3.9 CDRAM 77 3.4 只讀存儲(chǔ)器 79 3.4.1 只讀存儲(chǔ)器概述 79 3.4.2 NOR閃存 81 3.5 并行存儲(chǔ)器 86 3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器 86 3.5.2 多模塊交叉存儲(chǔ)器 88 3.6 cache存儲(chǔ)器 92 3.6.1 cache基本原理 92 3.6.2 主存與cache的地址映射 94 3.6.3 cache的替換策略 100 3.6.4 cache的寫操作策略 101 3.6.5 Pentium 4的cache組織 102 3.6.6 使用多級cache減少缺失損失 103 3.7 虛擬存儲(chǔ)器 103 3.7.1 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念 103 3.7.2 頁式虛擬存儲(chǔ)器 105 3.7.3 段式虛擬存儲(chǔ)器和段頁式虛擬存儲(chǔ)器 108 3.7.4 虛存的替換算法 110 3.7.5 存儲(chǔ)管理部件 111 3.8 奔騰系列機(jī)的虛存組織 111 3.8.1 存儲(chǔ)器模型 112 3.8.2 虛地址模式 112 3.8.3 分頁模式下的地址轉(zhuǎn)換 113 本章小結(jié) 114 習(xí)題 115 第4章 指令系統(tǒng) 118 4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 118 4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 118 4.1.2 指令系統(tǒng)的性能要求 119 4.1.3 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系 119 4.2 指令格式 120 4.2.1 操作碼 120 4.2.2 地址碼 121 4.2.3 指令字長度 122 4.2.4 指令助記符 123 4.2.5 指令格式舉例 124 4.3 操作數(shù)類型 127 4.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型 127 4.3.2 Pentium數(shù)據(jù)類型 127 4.3.3 Power PC數(shù)據(jù)類型 128 4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 128 4.4.1 指令的尋址方式 128 4.4.2 操作數(shù)基本尋址方式 129 4.4.3 尋址方式舉例 133 4.5 典型指令 135 4.5.1 指令的分類 135 4.5.2 基本指令系統(tǒng)的操作 137 4.5.3 RISC指令系統(tǒng) 138 4.6 ARM匯編語言 140 本章小結(jié) 142 習(xí)題 143 第5章 中央處理器 145 5.1 CPU的功能和組成 145 5.1.1 CPU的功能 145 5.1.2 CPU的基本組成 145 5.1.3 CPU中的主要寄存器 146 5.1.4 操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器 148 5.2 指令周期 148 5.2.1 指令周期的基本概念 148 5.2.2 MOV指令的指令周期 150 5.2.3 LAD指令的指令周期 152 5.2.4 ADD指令的指令周期 153 5.2.5 STO指令的指令周期 154 5.2.6 JMP指令的指令周期 155 5.2.7 用方框圖語言表示指令周期 157 5.3 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 159 5.3.1 時(shí)序信號的作用和體制 159 5.3.2 時(shí)序信號產(chǎn)生器 160 5.3.3 控制方式 162 5.4 微程序控制器 163 5.4.1 微程序控制原理 163 5.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 169 5.5 硬布線控制器 173 5.6 流水CPU 175 5.6.1 并行處理技術(shù) 175 5.6.2 流水CPU的結(jié)構(gòu) 176 5.6.3 流水線中的主要問題 178 5.7 RISC CPU 180 5.7.1 RISC機(jī)器的特點(diǎn) 180 5.7.2 RISC CPU實(shí)例 181 5.7.3 動(dòng)態(tài)流水線調(diào)度 185 本章小結(jié) 185 習(xí)題 186 第6章 總線系統(tǒng) 189 6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài) 189 6.1.1 總線的基本概念 189 6.1.2 總線的連接方式 190 6.1.3 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 192 6.1.4 總線結(jié)構(gòu)實(shí)例 194 6.2 總線接口 195 6.2.1 信息傳送方式 195 6.2.2 總線接口的基本概念 196 6.3 總線仲裁 198 6.3.1 集中式仲裁 198 6.3.2 分布式仲裁 200 6.4 總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式 201 6.4.1 總線的定時(shí) 201 6.4.2 總線數(shù)據(jù)傳送模式 204 6.5 PCI總線和PCIe總線 205 6.5.1 多總線結(jié)構(gòu) 205 6.5.2 PCI總線信號 206 6.5.3 PCI總線周期類型 207 6.5.4 PCI總線周期操作 208 6.5.5 PCI總線仲裁 209 6.5.6 PCIe總線 210 本章小結(jié) 212 習(xí)題 213 第7章 外圍設(shè)備 215 7.1 外圍設(shè)備概述 215 7.1.1 外圍設(shè)備的一般功能 215 7.1.2 外圍設(shè)備的分類 216 7.2 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備 217 7.2.1 磁記錄原理 217 7.2.2 磁盤的組成和分類 219 7.2.3 磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器 220 7.2.4 磁盤上信息的分布 222 7.2.5 磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 223 7.2.6 磁盤cache 224 7.2.7 磁盤陣列RAID 225 7.3 磁帶存儲(chǔ)設(shè)備 226 7.4 光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備 227 7.4.1 光盤存儲(chǔ)設(shè)備 227 7.4.2 磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備 229 7.5 顯示設(shè)備 230 7.5.1 顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念 230 7.5.2 字符/圖形顯示器 231 7.5.3 圖像顯示設(shè)備 233 7.5.4 VESA顯示標(biāo)準(zhǔn) 234 7.6 輸入設(shè)備和打印設(shè)備 236 7.6.1 輸入設(shè)備 236 7.6.2 打印設(shè)備 237 本章小結(jié) 238 習(xí)題 239 第8章 輸入/輸出系統(tǒng) 241 8.1 CPU與外設(shè)之間的信息交換 方式 241 8.1.1 輸入/輸出接口與端口 241 8.1.2 輸入/輸出操作的一般過程 242 8.1.3 I/O接口與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式 243 8.1.4 CPU與I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳送 243 8.2 程序查詢方式 246 8.3 程序中斷方式 248 8.3.1 中斷的基本概念 248 8.3.2 中斷服務(wù)程序入口地址的獲取 251 8.3.3 程序中斷方式的基本I/O接口 252 8.3.4 單級中斷 253 8.3.5 多級中斷 255 8.3.6 Pentium中斷機(jī)制 258 8.4 DMA方式 260 8.4.1 DMA的基本概念 260 8.4.2 DMA傳送方式 261 8.4.3 基本的DMA控制器 262 8.4.4 選擇型和多路型DMA控制器 265 8.5 通道方式 267 8.5.1 通道的功能 268 8.5.2 通道的類型 269 8.5.3 通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展 270 8.6 通用I/O標(biāo)準(zhǔn)接口 270 8.6.1 并行I/O標(biāo)準(zhǔn)接口SCSI 270 8.6.2 串行I/O標(biāo)準(zhǔn)接口IEEE 1394 272 8.6.3 I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì) 274 本章小結(jié) 275 習(xí)題 276 第9章 并行組織與結(jié)構(gòu) 279 9.1 體系結(jié)構(gòu)中的并行性 279 9.1.1 并行性的概念 279 9.1.2 提高并行性的技術(shù)途徑 280 9.1.3 單處理機(jī)系統(tǒng)中的并行性 280 9.1.4 多處理機(jī)系統(tǒng)中的并行性 281 9.1.5 并行處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)類型 282 9.1.6 并行處理機(jī)的組織和結(jié)構(gòu) 283 9.2 多線程與超線程處理機(jī) 286 9.2.1 從指令級并行到線程級并行 286 9.2.2 同時(shí)多線程結(jié)構(gòu) 287 9.2.3 超線程處理機(jī)結(jié)構(gòu) 288 9.3 多處理機(jī) 290 9.3.1 多處