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第1章 概述1

1.1 结构化计算机组成1

1.1.1 语言、层次和虚拟机1

1.1.2 现代多层次计算机3

1.1.3 多层次计算机的演化5

1.2 计算机体系结构的里程碑8

1.2.1 第零代——机械计算机（1642—1945）8

1.2.2 第一代——电子管计算机（1945—1955）10

1.2.3 第二代——晶体管计算机（1955—1965）12

1.2.4 第三代——集成电路计算机（1965—1980）14

1.2.5 第四代——超大规模集成电路计算机（1980年至今）15

1.2.6 第五代——低功耗和无所不在的计算机17

1.3 计算机家族18

1.3.1 技术和经济推动18

1.3.2 计算机扫视20

1.3.3 一次性计算机21

1.3.4 微型控制器22

1.3.5 移动计算机和游戏计算机23

1.3.6 个人计算机24

1.3.7 服务器25

1.3.8 大型主机26

1.4 系列计算机举例26

1.4.1 x86体系结构简介27

1.4.2 ARM体系结构简介31

1.4.3 AVR体系结构简介32

1.5 公制计量单位33

1.6 本书概览34

习题35

第2章 计算机系统组成38

2.1 处理器38

2.1.1 CPU组成39

2.1.2 指令执行40

2.1.3 RISC和CISC42

2.1.4 现代计算机设计原则43

2.1.5 指令级并行44

2.1.6 处理器级并行47

2.2 主存储器50

2.2.1 存储位50

2.2.2 内存编址51

2.2.3 字节顺序52

2.2.4 纠错码53

2.2.5 高速缓存56

2.2.6 内存封装及其类型58

2.3 辅助存储器59

2.3.1 层次存储结构59

2.3.2 磁盘60

2.3.3 IDE盘62

2.3.4 SCSI盘63

2.3.5 RAID盘64

2.3.6 固盘67

2.3.7 只读光盘68

2.3.8 可刻光盘71

2.3.9 可擦写光盘73

2.3.10 DVD73

2.3.11 Blu-Ray74

2.4 输入／输出设备75

2.4.1 总线75

2.4.2 终端78

2.4.3 鼠标81

2.4.4 游戏控制器83

2.4.5 打印机84

2.4.6 电信设备88

2.4.7 数码相机94

2.4.8 字符编码95

2.5 小结99

习题99

第3章 数字逻辑层103

3.1 门和布尔代数103

3.1.1 门103

3.1.2 布尔代数105

3.1.3 布尔函数的实现107

3.1.4 等价电路108

3.2 基本数字逻辑电路110

3.2.1 集成电路111

3.2.2 组合逻辑电路111

3.2.3 算术电路114

3.2.4 时钟118

3.3 内存119

3.3.1 锁存器119

3.3.2 触发器121

3.3.3 寄存器122

3.3.4 内存组成123

3.3.5 内存芯片125

3.3.6 RAM和ROM128

3.4 CPU芯片和总线130

3.4.1 CPU芯片130

3.4.2 计算机总线132

3.4.3 总线宽度134

3.4.4 总线时钟135

3.4.5 总线仲裁138

3.4.6 总线操作141

3.5 CPU芯片举例143

3.5.1 Intel Core i7143

3.5.2 德州仪器的OMAP4430片上系统147

3.5.3 Atmel的ATmega168微控制器150

3.6 总线举例152

3.6.1 PCI总线152

3.6.2 PCI Express159

3.6.3 通用串行总线USB162

3.7 接口电路165

3.7.1 输入／输出接口165

3.7.2 地址译码166

3.8 小结169

习题169

第4章 微体系结构层173

4.1 微体系结构举例173

4.1.1 数据通路174

4.1.2 微指令178

4.1.3 微指令控制：Mic-1180

4.2 指令系统举例：IJVM183

4.2.1 栈183

4.2.2 IJVM内存模型185

4.2.3 IJVM指令集186

4.2.4 将Java编译为IJVM189

4.3 实现举例190

4.3.1 微指令和符号190

4.3.2 用Mic-1实现IJVM193

4.4 微体系结构层设计201

4.4.1 速度与价格202

4.4.2 缩短指令执行路径长度203

4.4.3 带预取的设计：Mic-2208

4.4.4 流水线设计：Mic-3211

4.4.5 七段流水线设计：Mic-4215

4.5 提高性能217

4.5.1 高速缓存218

4.5.2 分支预测222

4.5.3 乱序执行和寄存器重命名226

4.5.4 推测执行230

4.6 微体系结构层举例232

4.6.1 Core i7 CPU的微体系结构232

4.6.2 OMAP4430 CPU的微体系结构236

4.6.3 ATmega168微控制器的微体系结构240

4.7 Core i7、OMAP4430和ATmega168三种CPU的比较241

4.8 小结242

习题243

第5章 指令系统层246

5.1 指令系统层概述247

5.1.1 指令系统层的性质247

5.1.2 存储模式249

5.1.3 寄存器250

5.1.4 指令251

5.1.5 Core i7指令系统层概述251

5.1.6 OMAP4430ARM指令系统层概述253

5.1.7 ATmega168AVR指令系统层概述255

5.2 数据类型256

5.2.1 数值数据类型257

5.2.2 非数值数据类型257

5.2.3 Core i7的数据类型258

5.2.4 OMAP4430ARM CPU的数据类型258

5.2.5 ATmega168AVR CPU的数据类型259

5.3 指令格式259

5.3.1 指令格式设计准则260

5.3.2 扩展操作码261

5.3.3 Core i7指令格式263

5.3.4 OMAP4430 ARM CPU指令格式264

5.3.5 ATmega168 AVR指令格式266

5.4 寻址267

5.4.1 寻址方式267

5.4.2 立即寻址267

5.4.3 直接寻址267

5.4.4 寄存器寻址267

5.4.5 寄存器间接寻址267

5.4.6 变址寻址269

5.4.7 基址变址寻址270

5.4.8 栈寻址270

5.4.9 转移指令的寻址方式272

5.4.10 操作码和寻址方式的关系273

5.4.11 Core i7的寻址方式274

5.4.12 OMAP4430 ARM CPU的寻址方式276

5.4.13 ATmega168 AVR的寻址方式276

5.4.14 寻址方式讨论276

5.5 指令类型277

5.5.1 数据移动指令277

5.5.2 双操作数指令278

5.5.3 单操作数指令279

5.5.4 比较和条件转移指令280

5.5.5 过程调用指令281

5.5.6 循环控制指令282

5.5.7 输入／输出指令283

5.5.8 Core i7指令系统285

5.5.9 OMAP4430 ARM CPU指令系统287

5.5.10 ATmega168 AVR指令系统289

5.5.11 指令集比较291

5.6 控制流291

5.6.1 顺序控制流和转移291

5.6.2 过程292

5.6.3 协同过程295

5.6.4 陷阱297

5.6.5 中断297

5.7 详细举例：汉诺塔300

5.7.1 Core i7汇编语言实现的汉诺塔300

5.7.2 OMAP4430 ARM汇编语言实现的汉诺塔302

5.8 IA-64体系结构和Itanium 2303

5.8.1 IA-32的问题303

5.8.2 IA-64模型：显式并行指令计算304

5.8.3 减少内存访问305

5.8.4 指令调度305

5.8.5 减少条件转移：判定307

5.8.6 推测加载308

5.9 小结309

习题310

第6章 操作系统层314

6.1 虚拟内存314

6.1.1 内存分页315

6.1.2 内存分页的实现316

6.1.3 请求调页和工作集模型319

6.1.4 页置换策略320

6.1.5 页大小和碎片321

6.1.6 分段322

6.1.7 分段的实现324

6.1.8 Core i7的虚拟内存326

6.1.9 OMAP4430 ARM CPU的虚拟内存329

6.1.10 虚拟内存和高速缓存331

6.2 硬件虚拟化331

6.3 操作系统层I/O指令333

6.3.1 文件333

6.3.2 操作系统层I/O指令的实现335

6.3.3 目录管理指令337

6.4 用于并行处理的操作系统层指令338

6.4.1 进程创建339

6.4.2 竞争条件339

6.4.3 使用信号量的进程同步342

6.5 操作系统实例345

6.5.1 简介345

6.5.2 虚拟内存实例350

6.5.3 操作系统层I/O举例352

6.5.4 进程管理实例361

6.6 小结365

习题366

第7章 汇编语言层371

7.1 汇编语言简介371

7.1.1 什么是汇编语言372

7.1.2 为什么使用汇编语言372

7.1.3 汇编语言语句的格式373

7.1.4 伪指令374

7.2 宏376

7.2.1 宏定义、调用和扩展376

7.2.2 带参数的宏377

7.2.3 高级特性378

7.2.4 汇编器中宏处理的实现378

7.3 汇编过程379

7.3.1 两趟汇编的汇编器379

7.3.2 第一趟扫描379

7.3.3 第二趟扫描382

7.3.4 符号表384

7.4 链接和加载385

7.4.1 链接器的处理过程386

7.4.2 目标模块的结构388

7.4.3 绑定时间和动态重定位389

7.4.4 动态链接390

7.5 小结393

习题393

第8章 并行计算机体系结构396

8.1 片内并行397

8.1.1 指令级并行397

8.1.2 片内多线程402

8.1.3 单片多处理器406

8.2 协处理器410

8.2.1 网络处理器411

8.2.2 图形处理器416

8.2.3 加密处理器418

8.3 共享内存的多处理器418

8.3.1 多处理器与多计算机418

8.3.2 内存语义424

8.3.3 UMA对称多处理器体系结构426

8.3.4 NUMA多处理器系统432

8.3.5 COMA多处理器系统439

8.4 消息传递的多计算机440

8.4.1 互联网络441

8.4.2 MPP——大规模并行处理器443

8.4.3 集群计算450

8.4.4 多计算机的通信软件454

8.4.5 调度456

8.4.6 应用层的共享内存457

8.4.7 性能461

8.5 网格计算465

8.6 小结467

习题468

参考文献471

附录A 二进制数479

附录B 浮点数487

附录C 汇编语言程序设计493

索引534