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第1章 计算机系统结构与组成的基本概念1

1.1 计算机层次结构1

1.1.1 计算机的结构及特点1

1.1.2 计算机的基本组成2

1.1.3 计算机的层次结构6

1.2 计算机系统结构和计算机的组成与实现7

1.2.1 计算机系统结构的定义7

1.2.2 计算机的组成和实现8

1.2.3 计算机实现技术的发展9

1.2.4 计算机系统结构和计算机组成10

1.3 计算机的性能评测和量化分析11

1.3.1 计算机性能的主要技术指标和评测的基本原则11

1.3.2 计算机性能评测的基本技术和方法12

1.4 计算机的成本和价格14

1.5 计算机设计者的主要任务16

1.6 计算机系统的发展及应用17

1.6.1 计算机的发展史17

1.6.2 计算机的分类18

1.6.3 计算机的应用21

习题23

第2章 指令系统设计25

2.1 计算机中的数据表示25

2.1.1 定点数的数据表示25

2.1.2 浮点数的数据表示27

2.1.3 字符和字符串数据的表示28

2.1.4 堆栈数据的表示29

2.1.5 向量的表示31

2.2 计算机的指令格式32

2.2.1 计算机指令的格式33

2.2.2 计算机指令系统的分类36

2.2.3 计算机指令集中指令的类型38

2.3 计算机的寻址方式40

2.3.1 计算机寻址技术概述40

2.3.2 基本寻址方式40

2.3.3 复合寻址方式44

2.3.4 寻址方式举例44

2.4 计算机指令集格式的设计45

2.5 计算机指令系统设计45

2.5.1 设计概述46

2.5.2 复杂指令集计算机47

2.5.3 精简指令集计算机48

2.5.4 RISC和CISC的比较49

2.6 编译技术与计算机体系结构设计50

2.6.1 现代编译器的结构和相关技术50

2.6.2 现代编译器技术对体系结构设计的影响52

习题53

第3章 CPU及其实现54

3.1 运算方法与运算器54

3.1.1 数据及其表示方法54

3.1.2 逻辑运算以及常用算术微操作59

3.1.3 定点加（减）法运算63

3.1.4 定点乘法运算66

3.1.5 定点除法运算71

3.1.6 浮点运算74

3.1.7 运算器组织78

3.2 控制器及其实现79

3.2.1 控制器的基本设计技术80

3.2.2 组合逻辑控制器设计及实现89

3.2.3 微程序控制器设计及逻辑实现91

3.3 CPU的结构和功能101

3.3.1 CPU的结构102

3.3.2 CPU中的寄存器102

3.3.3 CPU的功能103

3.4 流水线处理器103

3.4.1 流水线技术概述103

3.4.2 流水线的性能分析106

3.4.3 流水线的相关111

3.5 向量处理机114

习题115

第4章 存储系统118

4.1 存储系统概述118

4.1.1 存储器的分类118

4.1.2 存储器的层次结构120

4.2 高速缓存Cache123

4.2.1 Cache概述123

4.2.2 关于Cache的若干问题126

4.2.3 Cache性能的量化分析129

4.2.4 基于Cache的优化技术130

4.3 主存储器技术131

4.3.1 主存储器概述131

4.3.2 主存储器组织原理133

4.3.3 主存设计实例138

4.4 虚拟存储器技术以及存储保护141

4.4.1 虚拟存储器技术141

4.4.2 存储保护143

4.5 存储层次结构的设计145

习题145

第5章 向量处理机147

5.1 向量数据表示方式147

5.1.1 从标量到向量147

5.1.2 常见的向量表示148

5.2 向量处理机的结构150

5.2.1 存储器-存储器结构151

5.2.2 寄存器-寄存器结构152

5.3 向量处理方式153

5.3.1 横向处理方式153

5.3.2 纵向处理方式154

5.3.3 纵横处理方式154

5.4 向量处理机实例155

5.4.1 典型的向量处理机155

5.4.2 Cray Y-MP 816向量处理机156

5.4.3 向量协处理器157

5.5 向量处理机的性能评价157

5.6 向量处理机的发展159

习题160

第6章 互联网络161

6.1 互联网络的基本概念161

6.1.1 互联网络的作用161

6.1.2 互联网络的特性162

6.1.3 互联网络的传输性能参数162

6.1.4 互联网络的表示方法163

6.1.5 互联函数164

6.2 互联网络的种类167

6.2.1 静态互联网络167

6.2.2 多级互联网络170

6.2.3 交叉开关网络173

6.2.4 基于公共介质的互联网络174

6.3 消息传递机制175

6.3.1 消息寻径方式175

6.3.2 死锁与虚拟通道177

6.3.3 选播与广播寻径算法178

习题179

第7章 并行处理机180

7.1 并行处理机的概念180

7.2 并行处理机的基本结构182

7.2.1 分布存储器并行处理机182

7.2.2 共享存储器并行处理机183

7.2.3 并行处理机的特点183

7.3 并行处理机实例184

7.3.1 Illiac Ⅳ并行处理机184

7.3.2 BSP处理机187

7.4 并行处理机算法举例189

7.4.1 连续模型及差分计算190

7.4.2 矩阵乘191

7.4.3 求累加和193

习题194

第8章 多处理机196

8.1 多处理机结构196

8.1.1 松散耦合多处理机196

8.1.2 紧密耦合多处理机197

8.2 多处理机系统的特点198

8.3 多处理机的Cache一致性199

8.3.1 问题由来199

8.3.2 监听高速缓存一致性协议201

8.3.3 基于目录的协议204

8.4 大规模并行处理机（MPP）206

8.4.1 概述206

8.4.2 MPP的公共结构206

8.4.3 实例分析：CrayT3E的体系结构207

8.5 对称多处理机（SMP）208

8.5.1 概述208

8.5.2 S2MP结构209

8.5.3 SGI Origin 2000系列服务器209

8.6 机群系统（Cluster）212

8.6.1 机群系统的组成212

8.6.2 机群系统的关键技术213

8.6.3 IBM SP2系统214

习题216

第9章 输入／输出系统及总线217

9.1 输入／输出系统概述217

9.1.1 输入／输出原理217

9.1.2 输入／输出系统的特点218

9.1.3 输入／输出系统的组织方式219

9.1.4 基本输入／输出方式219

9.2 中断系统221

9.2.1 中断的提出222

9.2.2 中断源的组织222

9.2.3 中断系统的处理过程224

9.2.4 中断源的识别方法225

9.2.5 中断现场的保存和恢复227

9.2.6 中断屏蔽227

9.3 直接存储器存取（DMA）方式228

9.3.1 DMA方式的提出228

9.3.2 DMA控制器的功能和DMA传送的原理229

9.3.3 DMA控制器的工作特点231

9.4 通道处理机232

9.4.1 通道的作用和功能232

9.4.2 通道的工作过程232

9.4.3 通道的种类235

9.4.4 通道中的数据传送过程236

9.4.5 通道流量分析237

9.5 输入／输出处理机239

9.5.1 输入／输出处理机的作用239

9.5.2 输入／输出处理机的种类240

9.5.3 输入／输出处理机实例240

9.6 总线241

9.6.1 总线的概念241

9.6.2 总线的连接方式241

9.6.3 总线的标准242

9.6.4 几种常用的总线结构242

习题246

第10章 外围设备247

10.1 外围设备概述247

10.1.1 外围设备的一般功能247

10.1.2 外围设备的分类248

10.1.3 外围设备的发展趋势248

10.2 输入设备249

10.2.1 信息处理编码249

10.2.2 输入设备的功能252

10.2.3 键盘输入的工作原理253

10.2.4 扫描仪的基本工作原理254

10.2.5 汉字识别与手写输入256

10.3 显示设备257

10.3.1 显示设备的分类与一般概念257

10.3.2 字符显示器的工作原理258

10.3.3 图形图像显示器262

10.4 打印设备264

10.4.1 打印设备的分类264

10.4.2 点阵针式打印机264

10.4.3 激光印字机266

10.5 硬磁盘存储设备267

10.5.1 磁记录原理与记录方式267

10.5.2 硬磁盘机的基本组成和分类270

10.5.3 硬磁盘驱动器和控制器270

10.5.4 磁盘上信息的分布272

10.6 光盘存储设备272

10.6.1 光盘的分类272

10.6.2 CD-ROM光盘的基本工作原理273

10.6.3 CD-ROM驱动器的主要性能274

习题274

第11章 计算机系统结构的发展275

11.1 基于数据驱动的数据流机275

11.1.1 数据驱动原理275

11.1.2 数据流计算机模型279

11.1.3 数据流程序图和数据流语言282

11.2 基于面向函数程序设计的归约机289

11.2.1 函数式程序设计语言289

11.2.2 面向函数程序设计的归约机291

11.3 基于面向对象程序设计的计算机295

11.3.1 面向对象的程序设计295

11.3.2 基于面向对象程序设计的计算机结构296

11.4 基于面向智能信息处理的智能机298

11.4.1 智能信息处理与智能机298

11.4.2 智能机的结构及所用的机器语言300

习题304