计算机组织与体系结构：性能设计

第0章读者指南1
0.1本书概要1
0.2因特网和Web资源1
第一部分概述
第1章导论4
1.1计算机组织与体系结构4
1.2结构和功能5
1.2.1功能5
1.2.2结构6
1.3为何要学习计算机组织和体系
结构8
第2章计算机的演变和性能10
2.1计算机简史10
2.1.1第一代：真空管10
2.1.2第二代：晶体管17
2.1.3第三代：集成电路19
2.1.4后续的几代24
2.2性能设计26
2.2.1微处理器的速度27
2.2.2性能平衡27
2.2.3芯片组织和体系结构的
改进29
2.3Pentium和PowerPC的进展32
2.3.1Pentium32
2.3.2PowerPC33
2.4推荐的参考文献和Web站点34
2.5关键词、思考题和习题34
第二部分计算机系统
第3章计算机功能和互连的顶层
视图41
3.1计算机的部件41
3.2计算机功能43
3.2.1指令的取和执行44
3.2.2中断47
3.2.3I/O功能53
3.3互连结构54
3.4总线互连55
3.4.1总线结构56
3.4.2多总线层次结构57
3.4.3总线设计要素59
3.5PCI63
3.5.1总线结构63
3.5.2PCI命令67
3.5.3数据传送68
3.5.4仲裁70
3.6推荐的参考文献和Web站点72
3.7关键词、思考题和习题72
附录3A时序图76
第4章Cache78
4.1计算机存储系统概述78
4.1.1存储系统的特性78
4.1.2存储器分层结构80
4.2Cache存储器原理83
4.3Cache的设计要素86
4.3.1Cache容量86
4.3.2映射功能86
4.3.3替换算法94
4.3.4写策略95
4.3.5行的大小96
4.3.6Cache数目96
4.4Pentium 4和PowerPC的Cache
组织98
4.4.1Pentium 4的Cache
组织98
4.4.2PowerPC的Cache
组织100
4.5推荐的参考文献101
4.6关键词、思考题和习题101
附录4A两级存储器的性能特点107
4A.1局部性107
4A.2两级存储器的
操作110
4A.3性能110
第5章内部存储器114
5.1半导体主存储器114
5.1.1组织114
5.1.2DRAM和SRAM114
5.1.3ROM类型117
5.1.4芯片逻辑118
5.1.5芯片封装119
5.1.6模块组织120
5.2纠错122
5.3高级DRAM组织127
5.3.1同步DRAM127
5.3.2rambus DRAM129
5.3.3DDR SDRAM129
5.3.4带Cache的DRAM130
5.4推荐的参考文献和Web站点130
5.5关键词、思考题和习题131
第6章外部存储器135
6.1磁盘135
6.1.1磁读写机制135
6.1.2数据组织和格式化136
6.1.3物理特性138
6.1.4磁盘性能参数140
6.2RAID（磁盘冗余阵列）143
6.2.1RAID 0级144
6.2.2RAID 1级148
6.2.3RAID 2级149
6.2.4RAID 3级149
6.2.5RAID 4级150
6.2.6RAID 5级151
6.2.7RAID 6级151
6.3光存储器152
6.3.1光盘153
6.3.2数字通用盘155
6.4磁带156
6.5推荐的参考文献和Web站点158
6.6关键词、思考题和习题158
第7章输入输出161
7.1外部设备162
7.1.1键盘/监视器163
7.1.2磁盘驱动器164
7.2I/O模块166
7.2.1模块功能166
7.2.2I/O模块结构167
7.3编程式I/O168
7.3.1概述169
7.3.2I/O命令169
7.3.3I/O指令169
7.4中断驱动式I/O171
7.4.1中断处理172
7.4.2设计问题173
7.4.3Intel 82C59A中断控
制器175
7.4.4Intel 82C55A可编程
外部接口176
7.5存储器直接存取（DMA）178
7.5.1编程式I/O和中断驱动式
I/O的不足178
7.5.2DMA功能179
7.5.3Intel 8237A DMA控
制器181
7.6I/O通道和处理器183
7.6.1I/O功能的演变183
7.6.2I/O通道的特性183
7.7外部接口：FireWire和
InfiniBand185
7.7.1接口的类型185
7.7.2点对点和多点配置186
7.7.3FireWire串行总线186
7.7.4InfiniBand190
7.8推荐的参考文献和Web站点193
7.9关键词、思考题和习题193
第8章操作系统支持198
8.1操作系统概述198
8.1.1操作系统的目标和
功能198
8.1.2操作系统的类型200
8.2调度207
8.2.1长期调度207
8.2.2中期调度208
8.2.3短期调度208
8.3存储管理212
8.3.1交换212
8.3.2分区213
8.3.3分页215
8.3.4虚拟存储器216
8.3.5转换后援缓冲器218
8.3.6分段220
8.4Pentium Ⅱ和PowerPC的存储
管理221
8.4.1Pentium Ⅱ的存储管理
硬件221
8.4.2PowerPC存储管理
硬件225
8.5推荐的参考文献和Web站点228
8.6关键词、思考题和习题229
第三部分中央处理器
第9章计算机算术235
9.1算术逻辑单元235
9.2整数表示236
9.2.1符号幅值表示法236
9.2.22的补码表示法237
9.2.3不同位长间的转换239
9.2.4定点表示法241
9.3整数算术241
9.3.1取负241
9.3.2加法和减法242
9.3.3乘法244
9.3.4除法250
9.4浮点表示253
9.4.1原理253
9.4.2二进制浮点表示的IEEE
标准256
9.5浮点算术258
9.5.1浮点加法和减法259
9.5.2浮点乘法和除法261
9.5.3浮点运算的精度问题263
9.5.4二进制浮点算术的IEEE
标准264
9.6推荐的参考文献和Web站点266
9.7关键词、思考题和习题267
第10章指令集：特征和功能272
10.1机器指令特征272
10.1.1机器指令要素272
10.1.2指令表示273
10.1.3指令类型274
10.1.4地址数目275
10.1.5指令集设计277
10.2操作数类型277
10.2.1数值278
10.2.2字符278
10.2.3逻辑数据279
10.3Pentium和PowerPC数据
类型279
10.3.1Pentium数据类型279
10.3.2PowerPC数据类型280
10.4操作类型281
10.4.1数据传送类283
10.4.2算术运算类284
10.4.3逻辑运算类285
10.4.4转换类287
10.4.5输入输出类288
10.4.6系统控制类288
10.4.7控制传递类288
10.5Pentium和PowerPC操作
类型293
10.5.1Pentium操作类型293
10.5.2PowerPC操作类型300
10.6汇编语言301
10.7推荐的参考文献303
10.8关键词、思考题和习题303
附录10A堆栈309
10A.1堆栈实现310
10A.2表示式求值311
附录10B小数在先和大数在先314
10B.1字节排序314
10B.2位排序316
第11章指令集：寻址方式和指令
格式317
11.1寻址方式317
11.1.1立即寻址319
11.1.2直接寻址319
11.1.3间接寻址319
11.1.4寄存器寻址320
11.1.5寄存器间接寻址320
11.1.6偏移寻址321
11.1.7堆栈寻址322
11.2Pentium和PowerPC寻址
方式323
11.2.1Pentium寻址方式323
11.2.2PowerPC寻址方式325
11.3指令格式327
11.3.1指令长度327
11.3.2位的分配328
11.3.3变长指令331
11.4Pentium和PowerPC指令
格式334
11.4.1Pentium指令格式334
11.4.2PowerPC指令格式336
11.5推荐的参考文献337
11.6关键词、思考题和习题338
第12章CPU结构和功能342
12.1处理器组织342
12.2寄存器组织344
12.2.1用户可见寄存器344
12.2.2控制和状态寄存器346
12.2.3微处理器寄存器组织
的例子347
12.3指令周期349
12.3.1间址周期349
12.3.2数据流350
12.4指令流水352
12.4.1流水线策略352
12.4.2流水线的性能356
12.4.3转移处理357
12.4.4Intel 80486的流
水线363
12.5Pentium处理器364
12.5.1寄存器组织364
12.5.2MMX寄存器368
12.5.3中断处理369
12.6PowerPC处理器371
12.6.1寄存器组织371
12.6.2中断处理374
12.7推荐的参考文献377
12.8关键词、思考题和习题377
第13章精简指令集计算机382
13.1指令执行特征383
13.1.1操作384
13.1.2操作数385
13.1.3过程调用385
13.1.4结论386
13.2大寄存器组方案的使用386
13.2.1寄存器窗口387
13.2.2全局变量389
13.2.3大寄存器组与Cache
的对比389
13.3基于编译器的寄存器优化391
13.4精简指令集体系结构392
13.4.1CISC的理由392
13.4.2精简指令集体系结构
特征394
13.4.3CISC与RISC特征
对比395
13.5RISC流水线技术397
13.5.1规整指令的流水线
技术397
13.5.2流水线的优化398
13.6MIPS R4000400
13.6.1指令集400
13.6.2指令流水线403
13.7SPARC406
13.7.1SPARC寄存器组406
13.7.2指令集408
13.7.3指令格式409
13.8RISC与CISC的争论411
13.9推荐的参考文献411
13.10关键词、思考题和习题412
第14章指令级并行性和超标量处
理器416
14.1概述416
14.1.1超标量与超级流
水线417
14.1.2限制418
14.2设计考虑421
14.2.1指令级并行性和机器
并行性421
14.2.2指令发射策略421
14.2.3寄存器重命名424
14.2.4机器并行性425
14.2.5转移预测426
14.2.6超标量执行427
14.2.7超标量实现427
14.3Pentium 4428
14.3.1由前端到跟踪
Cache429
14.3.2无序执行逻辑434
14.3.3整数和浮点执行
单元435
14.4PowerPC435
14.4.1PowerPC 601435
14.4.2转移处理439
14.4.3PowerPC 620439
14.5推荐的参考文献441
14.6关键词、思考题和习题442
第15章IA64体系结构447
15.1推动因素447
15.2通常组织449
15.3判定、推测和软件流水450
15.3.1指令格式450
15.3.2汇编语言格式452
15.3.3判定执行453
15.3.4控制推测457
15.3.5数据推测461
15.3.6软件流水462
15.4IA64指令级体系结构465
15.4.1寄存器堆栈467
15.4.2当前栈帧标示器和先
前功能状态寄存器468
15.5Itanium处理器组织469
15.6推荐的参考文献和Web站点472
15.7关键词、思考题和习题472
第四部分控制器
第16章控制器操作478
16.1微操作479
16.1.1指令周期的子周期479
16.1.2指令周期483
16.2处理器控制484
16.2.1功能需求484
16.2.2控制信号485
16.2.3控制信号举例486
16.2.4处理器内部组织488
16.2.5Intel 8085489
16.3硬连线实现493
16.3.1控制器输入493
16.3.2控制器逻辑494
16.4推荐的参考文献495
16.5关键词、思考题和习题495
第17章微程序式控制497
17.1基本概念497
17.1.1微指令497
17.1.2微程序式控制器499
17.1.3Wilkes控制501
17.1.4优缺点505
17.2微指令排序505
17.2.1设计考虑505
17.2.2排序技术505
17.2.3地址生成508
17.2.4LSI11微指令排序508
17.3微指令执行509
17.3.1微指令分类法510
17.3.2微指令编码512
17.3.3LSI11微指令执行513
17.3.4IBM 3033微指令
执行518
17.4TI 8800519
17.4.1微指令格式519
17.4.2微顺序器522
17.4.3寄存器式ALU525
17.5推荐的参考文献527
17.6关键词、思考题和习题527
第五部分并行处理的组织
第18章并行处理532
18.1多处理机组织533
18.1.1并行处理机系统
类型533
18.1.2并行组织533
18.2对称多处理机535
18.2.1组织535
18.2.2多处理机操作系统设
计考虑538
18.2.3大型机SMP538
18.3cache一致性和MESI协议540
18.3.1软件解决方案541
18.3.2硬件解决方案541
18.3.3MESI协议543
18.4多线程化和芯片多处理器546
18.4.1隐式和显式多线
程化546
18.4.2显式多线程化的
方法547
18.4.3实例系统550
18.5机群系统552
18.5.1机群系统配置552
18.5.2操作系统设计问题554
18.5.3机群计算机体系
结构555
18.5.4机群系统与SMP的
对比557
18.6非均匀存储器存取557
18.6.1推动因素557
18.6.2组织558
18.6.3NUMA的赞成票和反
对票559
18.7向量计算560
18.7.1向量计算方法561
18.7.2IBM 3090向量设备565
18.8推荐的参考文献和Web站点571
18.9关键词、思考题和习题572
附录A计算机组织与体系结构
课题578
A.1研究性课题578
A.2仿真性课题578
A.2.1SimpleScalar579
A.2.2SMPCache579
A.3阅读/报告类题目579