计算机体系结构设计

第1章  绪论  1
1.1  计算机体系结构的基本概念  1
1.2  计算机的发展简史  2 1.2.1  机械式计算机的发展  2 1.2.2  电子计算机硬件结构的发展  3 1.2.3  微处理器的发展  7 1.2.4  从模拟计算机到数字计算机  8 1.2.5  计算机软件的发展  9
1.3  计算机体系结构的分类  13 1.3.1  冯·诺依曼体系结构  13 1.3.2  哈佛体系结构  14 1.3.3  Flynn计算机体系结构的
分类  15 1.3.4  冯泽云分类法  16 1.3.5  计算机的语言层次结构  16 1.3.6  计算机的总线组织结构  17 1.3.7  计算机的软件系统  19
1.4  计算机系统的性能指标  19 1.4.1  摩尔定律  19 1.4.2  性能测试程序  19 1.4.3  基本性能指标  20 1.4.4  Amdahl定律  23
1.5  计算机的应用  24
习题1  25 第2章  数的表示与计算体系  27
2.1  进位计数制与数制转换  27 2.1.1  进位计数制  27 2.1.2  数制间的转换  30
2.2  无符号数与文字的表示  32 2.2.1  无符号数的表示  32 2.2.2  十进制数串的表示  33 2.2.3  西文字符在计算机中的
表示  33 2.2.4  中文字符在计算机中的
表示  34 2.2.5  布尔代数与布尔逻辑  35
2.3  带符号数的表示  38 2.3.1  机器数与真值  38 2.3.2  原码表示  39 2.3.3  补码表示  40 2.3.4  反码表示  41 2.3.5  移码表示  42
2.4  定点数与定点运算  43 2.4.1  定点表示  43 2.4.2  加法与减法运算  43 2.4.3  原码乘法运算  45 2.4.4  原码除法运算  47 2.4.5  补码乘法运算  47 2.4.6  补码除法运算  50 2.4.7  移位运算  50 2.4.8  运算器的基本结构  52
2.5  浮点数与浮点运算  55 2.5.1  浮点表示  55 2.5.2  IEEE754浮点数标准  57 2.5.3  浮点加减运算  59 2.5.4  浮点乘除运算  61 2.5.5  浮点运算流水线  62
2.6  BCD码  63 2.6.1  BCD码的格式  63 2.6.2  BCD码加减法  64 2.6.3  BCD码乘除法  65
2.7  数据校验码  65 2.7.1  码距与数据校验码  65 2.7.2  奇偶校验码  66 2.7.3  循环冗余校验码  67 2.7.4  海明校验码  70
2.8  时序逻辑电路  72 2.8.1  触发器  72 2.8.2  寄存器  73 2.8.3  计数器  74
2.9  组合逻辑电路  74 2.9.1  三态电路  74 2.9.2  比较器  74 2.9.3  加法器  75 2.9.4  编码器  75 2.9.5  译码器  76 2.9.6  数据选择器  76 2.9.7  总线  76
2.10  阵列逻辑电路  77 2.10.1  阵列乘法器  77 2.10.2  阵列除法器  79 2.10.3  可编程逻辑阵列(PLA)  79 2.10.4  可编程阵列逻辑(PAL)  80
习题2  80 第3章  指令系统设计  82
3.1  指令类型与功能  82 3.1.1  数据传送指令  84 3.1.2  算术运算指令  85 3.1.3  逻辑运算指令  85 3.1.4  算术移位指令  86 3.1.5  逻辑移位指令  87 3.1.6  堆栈操作指令  88 3.1.7  程序控制指令  88 3.1.8  输入输出指令  90 3.1.9  其他指令  91
3.2  数据类型  91 3.2.1  数值数据类型  91 3.2.2  字符类型  92 3.2.3  逻辑数据类型  92
3.3  寻址方式  92 3.3.1  指令寻址  93 3.3.2  操作数寻址  94
3.4  指令系统设计方法  101 3.4.1  地址结构划分方法  101 3.4.2  指令系统设计的步骤  103 3.4.3  指令的操作码编码  103 3.4.4  指令的地址码编址  105 3.4.5  Huffman优化编码方法  106
3.5  CISC与RISC指令系统
设计  107 3.5.1  复杂指令集计算机
(CISC)  107 3.5.2  精简指令集计算机
(RISC)  108
3.6  80x86/Pentium指令系统  109 3.6.1  80x86指令系统主要特征  109 3.6.2  80x86寻址方式  109 3.6.3  8088/8086 CPU的指令系统
分类  111 3.6.4  Pentium指令系统  116 3.6.5  80x86/Pentium常用伪
指令  117
3.7  ARM指令系统  118 3.7.1  ARM指令系统主要特征  118 3.7.2  ARM寻址方式  119 3.7.3  ARM指令系统分类  120 3.7.4  Thumb指令及应用  121 3.7.5  ARM汇编语言的伪操作  122 3.7.6  ARM汇编语言的程序
结构  122
3.8  MIPS指令系统设计  123 3.8.1  MIPS概述  123 3.8.2  MIPS指令格式  124
习题3  127 第4章  中央处理器体系结构设计  129
4.1  CPU的基本结构  129
4.2  CPU中的主要寄存器  130 4.2.1  用户可见寄存器  130 4.2.2  控制和状态寄存器  131
4.3  控制器的结构  132 4.3.1  指令执行的基本步骤  132 4.3.2  控制器的组成  133 4.3.3  时序产生器和控制方式  135
4.4  组合逻辑控制器设计  138 4.4.1  组合逻辑控制器的设计
原理  138 4.4.2  方框图语言与指令流程分析/
数据通路分析  139 4.4.3  MIPS的单周期设计方案  143 4.4.4  MIPS的多周期设计方案  146 4.4.5  MIPS控制器的设计  148
4.5  微程序控制器设计  150 4.5.1  微程序控制器的设计原理  150 4.5.2  微程序控制器的组成  152 4.5.3  微程序控制器设计步骤  153 4.5.4  微指令的编译方法  154 4.5.5  微程序的顺序控制方式  155 4.5.6  微指令的执行方式  158 4.5.7  微指令格式的设计方法  159 4.5.8  微程序设计技术的应用  161
4.6  流水线工作原理  163 4.6.1  指令的执行方式  163 4.6.2  流水线的分类  166 4.6.3  线性流水线的性能  167 4.6.4  流水线的相关问题  169
4.7  典型的处理器设计  170 4.7.1  Intel的Pentium处理器结构
与设计  170 4.7.2  ARM系列处理器结构
与设计  171 4.7.3  SUN的SPARC系统  172 4.7.4  多核处理器的结构与设计  172 4.7.5  龙芯系列处理器的结构
与设计  175
习题4  175 第5章  存储器体系结构设计  178
5.1  存储器概述  178 5.1.1  存储器分类  178 5.1.2  存储器的性能指标  180 5.1.3  存储器的层次体系结构  181
5.2  Cache存储器  181 5.2.1  Cache的基本结构  181 5.2.2  Cache-主存地址映射  183 5.2.3  Cache替换策略  186
5.3  随机存储器与只读存储器  188 5.3.1  随机存储器  188 5.3.2  只读存储器ROM  192 5.3.3  并行存储器  194
5.4  外部存储器和RAID  198 5.4.1  磁表面存储器的原理  198 5.4.2  磁盘存储器  200 5.4.3  磁带存储器  203 5.4.4  光盘存储器  204 5.4.5  固态盘存储器  206 5.4.6  RAID  207
5.5  虚拟存储器技术  208 5.5.1  程序运行的局部性原理  208 5.5.2  请求分页式存储管理方式  209 5.5.3  请求分段存储管理方式  215 5.5.4  请求段页式虚拟存储器  217 5.5.5  快表与慢表  217 5.5.6  存储共享与保护  218
5.6  网络存储与容灾备份  219 5.6.1  网络存储技术架构  219 5.6.2  备份与容灾  220
习题5  221 第6章  I/O系统设计  223
6.1  输入输出(I/O)系统概述  223 6.1.1  I/O系统需要解决的主要
问题  223 6.1.2  I/O接口的结构与功能  224 6.1.3  I/O接口的类型  225 6.1.4  输入输出设备的编址  226
6.2  程序查询方式  227 6.2.1  程序查询流程  227 6.2.2  程序查询方式的接口电路  228
6.3  中断输入输出方式  229 6.3.1  中断的作用、产生和响应  229 6.3.2  中断处理流程  230 6.3.3  程序中断设备接口的组成和
工作原理  231
6.4  DMA输入输出方式  233 6.4.1  DMA方式的特点与应用
场合  233 6.4.2  DMA控制器组成  234 6.4.3  DMA的数据传送过程  236
6.5  I/O通道和处理机  238 6.5.1  通道概述  238 6.5.2  通道的类型  239 6.5.3  通道的组成结构  240 6.5.4  通道工作过程  241 6.5.5  I/O处理机  242
6.6  总线结构  242 6.6.1  总线的概念和结构形态  242 6.6.2  总线规范与性能  243 6.6.3  总线的组成与结构  244 6.6.4  总线的设计与仲裁  245 6.6.5  总线的定时和数据传送
模式  248
6.7  外部设备  249 6.7.1  输入——键盘  249 6.7.2  输入——鼠标、跟踪球和
操作杆输入  251 6.7.3  输入——图像输入设备(数码
相机、摄像机和摄像头)  251 6.7.4  输入——语音录入系统  252 6.7.5  输入——光笔、手写板、
绘图板  253 6.7.6  输入——条形码与二维码  253 6.7.7  输入—— OCR技术和文字
输入系统  255 6.7.8  输出——显示技术  256 6.7.9  输出——打印机、绘图仪  260 6.7.10  输出——声音输出设备  262 6.7.11  交互式输入/输出——
触摸屏  263 6.7.12  交互式输入/输出——
虚拟现实VR  264 6.7.13  交互式输入/输出——脑波
读取和意念控制  265
6.8  外设接口  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标准接口SCSI和
SAS  267 6.8.5  光纤通道和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
习题6  271 第7章  并行处理与普适计算  272
7.1  并行计算机系统结构  272 7.1.1  指令级并行和机器并行  272 7.1.2  并行计算机系统结构  275
7.2  单处理机系统中的并行
机制  278 7.2.1  超线程和同时多线程
SMT  278 7.2.2  单芯片多核处理器CMP  280 7.2.3  协处理器  280 7.2.4  超标量与超流水线  281
7.3  多处理机系统的组织结构  283 7.3.1  系统拓扑结构  283 7.3.2  多处理机系统中的存储器
管理  286 7.3.3  多处理机系统中的通信  287 7.3.4  多处理机高速缓冲存储器
一致性  289 7.3.5  多处理机的同步  295 7.3.6  多处理机实例  298
7.4  多处理机操作系统和算法  302 7.4.1  多处理机操作系统  302 7.4.2  并行处理机算法  303
7.5  从计算机到网络  304 7.5.1  计算机网络  304 7.5.2  物联网  305 7.5.3  无线传感器网络  306 7.5.4  网格计算  306 7.5.5  云计算  307
7.6  普适计算和移动计算  308 7.6.1  普适计算  308 7.6.2  分布式计算  309 7.6.3  移动计算和超移动计算  309 7.6.4  迅驰技术  310 7.6.5  智能手机  310 7.6.6  笔记本电脑/平板电脑  311 7.6.7  PDA智能终端  311 7.6.8  车载智能终端  312
习题7  312 第8章  生物计算机  314
8.1  生物计算机概述  314 8.1.1  生物计算机的特点  314 8.1.2  生物计算机种类  315
8.2  基因调控开关和生物芯片  316 8.2.1  转换开关  316 8.2.2  Riboswitch  316 8.2.3  双稳态开关  316 8.2.4  生物芯片  317
8.3  神经(元)计算机  318 8.3.1  神经(元)计算机的概述  318 8.3.2  神经网络的结构与算法  319 8.3.3  神经网络的学习方式  320
8.4  DNA计算机  323 8.4.1  DNA计算机概述  323 8.4.2  DNA计算机的模型  324 8.4.3  DNA计算机的体系结构  325
8.5  细胞计算机  326 8.5.1  细胞计算机概述  326 8.5.2  细胞自动机的结构  327
8.6  纳米机器人  330 8.6.1  纳米机器人概述  330 8.6.2  纳米机器人结构  331
习题8  334 第9章  光计算机  335
9.1  光计算机概述  335
9.2  光计算机基本原理  336 9.2.1  数字光计算  336 9.2.2  光学傅里叶变换  337 9.2.3  光学计算机实现  339
9.3  激光通信  340 9.3.1  激光通信概述  340 9.3.2  激光通信的基本架构  341 9.3.3  光发射机  342 9.3.4  光纤  343 9.3.5  光接收机  344 9.3.6  光放大器  345 9.3.7  光纤通信系统的主要性能
指标  345 9.3.8  FDDI协议  347 9.3.9  光纤传输的波动理论  347
9.4  光量子计算机  348 9.4.1  普朗克黑体辐射理论  348 9.4.2  爱因斯坦光电效应方程  349 9.4.3  康普顿散射  350 9.4.4  光的波粒二象性  351 9.4.5  光量子计算机的实现  352
习题9  353 第10章  量子计算机  354
10.1  量子计算机概述  354
10.2  量子态和量子编码非经典
特性  355 10.2.1  量子态的描述——波函数
和量子态叠加原理  355 10.2.2  量子态时间演化和计算
操作  356 10.2.3  量子纠缠现象  356 10.2.4  量子非克隆定理  357
10.3  量子位与量子逻辑门  357 10.3.1  量子位  357 10.3.2  量子逻辑门  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  量子密钥分配  368 10.6.2  无噪信道下的BB84
协议  368 10.6.3  有噪信道下的BB84
协议  369
10.7  量子计算机的物理实现  370 10.7.1  光学量子计算机  370 10.7.2  离子阱量子计算机  371 10.7.3  中性原子量子计算机  371 10.7.4  超导量子计算机  372 10.7.5  腔量子电动力学量子
计算机  372 10.7.6  量子点体系的量子
计算机  373
习题10  373 主要参考文献  3