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简介
《普通高等教育“十一五”国家级规划教材·计算机系列教材·计算机组织与体系结构》重点讲授计算机单处理机系统的组成和工作原理。在此基础上，扩展讲授并行计算机的体系结构。书中内容分为13章：（1）计算机系统概论；（2）运算方法和运算器；（3）内部存储器；（4）指令系统；（5）中央处理机；（6）总线系统；（7）外围设备；（8）输入/输出系统；（9）操作系统支持；（10）安腾高性能处理机体系结构；（11）并行体系结构； （12）教学实验设计；（13）课程综合设计。在附录A中介绍了配套光盘与教学设备。
《普通高等教育“十一五”国家级规划教材·计算机系列教材·计算机组织与体系结构》是作者对“计算机组织与体系结构”课程体系、教学内容、教学方法、教学手段进行综合改革的具体成果。
《普通高等教育“十一五”国家级规划教材·计算机系列教材·计算机组织与体系结构》特色：基础性、时代性、系统性、实践性、实用性、启发性融为一体，文字教材、多媒体CAI软件、教学课件、习题答案库、自测试题库、教学仪器、实验设计、课程设计综合配套，形成“理论、实验、设计”三个过程相统一的立体化教学体系。《普通高等教育“十一五”国家级规划教材·计算机系列教材·计算机组织与体系结构》文字流畅、通俗易懂，有广泛的适应面，可作为高等学校计算机系的教材，也可作为成人自学考试和全国计算机等级考试NCRE（四级）用书。
目录
目录
第1章 计算机系统概论
1.1 计算机的分类
1.2 计算机的发展简史
1.2.1 计算机的五代变化
1.2.2 半导体存储器的发展
1.2.3 微处理器的发展
1.2.4 计算机的性能指标
1.3 计算机的硬件
1.3.1 硬件组成要素
1.3.2 运算器
1.3.3 存储器
1.3.4 控制器
1.3.5 适配器与输入输出设备
1.4 计算机的软件
1.4.1 软件的组成与分类
1.4.2 软件的发展演变
1.5 计算机系统的层次结构
1.5.1 多级组成的计算机系统
1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性
1.2.3 三个常用术语的物理概念
1.5.4 计算机体系结构的分类
本章小结
习题
第2章 运算方法和运算器
2.1 数据与文字的表示方法
2.1.1 数据格式
2.1.2 数的机器码表示
2.1.3 字符与字符串的表示方法
2.1.4 汉字的表示方法
2.1.5 校验码
2.2 定点加法、减法运算
2.2.1 补码加法
2.2.2 补码减法
2.2.3 溢出概念与检测方法
2.2.4 基本的二进制加法/减法器
2.3 定点乘法运算
2.3.1 原码并行乘法
2.3.2 直接补码并行乘法
2.4 定点除法运算
2.4.1 原码除法算法原理
2.4.2 并行除法器
2.5 定点运算器的组成
2.5.1 逻辑运算
2.5.2 多功能算术逻辑运算单元
2.5.3 内部总线
2.5.4 定点运算器的基本结构
2.6 浮点运算方法和浮点运算器
2.6.1 浮点加法、减法运算
2.6.2 浮点乘法、除法运算
2.6.3 浮点运算流水线
2.6.4 浮点运算器实例
本章小结
习题
第3章 内部存储器
3.1 存储器概述
3.1.1 存储器的分类
3.1.2 存储器的分级
3.1.3 主存储器的技术指标
3.2 SRAM存储器
3.2.1 基本的静态存储元阵列
3.2.2 基本的SRAM逻辑结构
3.2.3 读/写周期波形图
3.3 DRAM存储器
3.3.1 DRAM存储元的记忆原理
3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构
3.3.3 读/写周期、刷新周期
3.3.4 存储器容量的扩充
3.3.5 高级的DRAM结构
3.3.6 DRAM主存读/写的正确性校验
3.4 只读存储器和闪速存储器
3.4.1 只读存储器ROM
3.4.2 FLASH存储器
3.5 并行存储器
3.5.1 双端口存储器
3.5.2 多模块交叉存储器
3.6 cache存储器
3.6.1 cache基本原理
3.6.2 主存与cache的地址映射
3.6.3 替换策略
3.6.4 cache的写操作策略
3.6.5 Pentium 4的cache组织
本章小结
习题
第4章 指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
4.1.2 对指令系统性能的要求
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
4.2 指令格式
4.2.1 操作码
4.2.2 地址码
4.2.3 指令字长度
4.2.4 指令助记符
4.2.5 指令格式举例
4.3 操作数类型
4.3.1 一般的数据类型
4.3.2 Pentium数据类型
4.3.3 Power PC数据类型
4.4 指令和数据的寻址方式
4.4.1 指令的寻址方式
4.4.2 操作数基本寻址方式
4.4.3 寻址方式举例
4.5 典型指令
4.5.1 指令的分类
4.5.2 基本指令系统的操作
4.5.3 精简指令系统
本章小结
习题
第5章 中央处理机
5.1 CPU的功能和组成
5.1.1 CPU的功能
5.1.2 CPU的基本组成
5.1.3 CPU中的主要寄存器
5.1.4 操作控制器与时序产生器
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念
5.2.2 MOV指令的指令周期
5.2.3 LAD指令的指令周期
5.2.4 ADD指令的指令周期
5.2.5 STO指令的指令周期
5.2.6 JMP指令的指令周期
5.2.7 用方框图语言表示指令周期
5.3 时序产生器和控制方式
5.3.1 时序信号的作用和体制
5.3.2 时序信号产生器
5.3.3 控制方式
5.4 微程序控制器
5.4.1 微程序控制原理
5.4.2 微程序设计技术
5.5 硬连线控制器
5.6 传统CPU
5.6.1 Intel 8088 CPU
5.6.2 IBM 370系列CPU
5.7 流水CPU
5.7.1 流水CPU的结构
5.7.2 流水线中的主要问题
5.7.3 奔腾CPU
5.8 RISC CPU
5.8.1 RISC CPU的特点
5.8.2 RISC CPU实例
5.9 多媒体CPU
5.9.1 多媒体技术的主要问题
5.9.2 MMX技术
本章小结
习题
第6章 总线系统
6.1 总线的概念和结构形态
6.1.1 总线的基本概念
6.1.2 总线的连接方式
6.1.3 总线的内部结构
6.2 总线接口
6.2.1 信息传送方式
6.2.2 总线接口的基本概念
6.3 总线的仲裁
6.3.1 集中式仲裁
6.3.2 分布式仲裁
6.4 总线的定时和数据传送模式
6.4.1 总线的定时
6.4.2 总线数据传送模式
6.5 HOST总线和PCI总线
6.5.1 多总线结构
6.5.2 PCI总线信号
6.5.3 总线周期类型
6.5.4 总线周期操作
6.5.5 总线仲裁
6.6 InfiniBand标准
6.6.1 InfiniBand的体系结构
6.6.2 InfiniBand的通信协议
本章小结
习题
第7章 外围设备
7.1 外围设备概述
7.1.1 外围设备的一般功能
7.1.2 外围设备的分类
7.2 磁盘存储设备
7.2.1 磁记录原理
7.2.2 磁盘的组成和分类
7.2.3 磁盘驱动器和控制器
7.2.4 磁盘上信息的分布
7.2.5 磁盘存储器的技术指标
7.3 磁盘存储设备的技术发展
7.3.1 磁盘cache
7.3.2 磁盘阵列RAID
7.3.3 可移动存储设备
7.4 磁带存储设备
7.5 光盘和磁光盘存储设备
7.5.1 光盘存储设备
7.5.2 磁光盘存储设备
7.6 显示设备
7.6.1 显示设备的分类与有关概念
7.6.2 字符图形显示器
7.6.3 图像显示设备
7.6.4 VESA显示标准
7.7 输入设备和打印设备
7.7.1 输入设备
7.7.2 打印设备
本章小结
习题
第8章 输入/输出系统
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式
8.1.1 外围设备的速度分级
8.1.2 信息交换方式
8.2 程序查询方式
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
8.3.2 程序中断方式的基本I/O接口
8.3.3 单级中断和多级中断
8.3.4 中断控制器
8.3.5 Pentium中断机制
8.4 DMA方式
8.4.1 DMA的基本概念
8.4.2 DMA传送方式
8.4.3 基本的DMA控制器
8.4.4 选择型和多路型DMA控制器
8.5 通道方式
8.5.1 通道的功能
8.5.2 通道的类型
8.5.3 通道结构的发展
8.6 通用I/0标准接口
8.6.1 并行I/O标准接口SCSI
8.6.2 串行I/O标准接口IEEE1394
本章小结
习题
第9章 操作系统支持
9.1 操作系统概述
9.1.1 操作系统的概念
9.1.2 操作系统的功能
9.1.3 操作系统的特性及其需要解决的问题
9.1.4 操作系统的硬件环境
9.2 调度
9.2.1 进程
9.2.2 调度的层次
9.2.3 处理机调度的实现
9.3 存储管理
9.3.1 分区式存储管理
9.3.2 交换技术和分布技术
9.4 虚拟存储器
9.4.1 虚拟存储器的基本概念
9.4.2 页式虚拟存储器
9.4.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器
9.4.4 虚存的替换算法
9.5 存储保护
9.5.1 存储区域保护
9.5.2 访问方式保护
9.6 奔腾系列机的虚存组织
9.6.1 存储器模型
9.6.2 虚地址模式
9.6.3 分页模式下的地址转换
本章小结
习题
第10章 安腾高性能处理机体系结构
10.1 高性能处理机体系结构的演变
10.1.1 IA体系结构的历史演变
10.1.2 英特尔64位处理机的两种体系结构
10.2 安腾体系结构的基本设计思想
10.3 安腾指令系统结构
10.3.1 执行单元与指令类型
10.3.2 安腾寄存器结构
10.3.3 安腾指令格式
10.3.4 安腾汇编语言格式
10.4 指令级并行机制
10.4.1 推断执行技术
10.4.2 推测技术
10.5 双核安腾处理机的组成
10.5.1 双核安腾处理机的基本特性
10.5.2 双核安腾处理机的组织结构
本章小结
习题
第11章 并行体系结构
11.1 体系结构中的并行性
11.1.1 并行性的概念
11.1.2 提高并行性的技术途径
11.1.3 单处理机系统中并行性的发展
11.1.4 多处理机系统中并行性的发展
11.1.5 并行处理机的体系结构类型
11.2 超长指令字处理机
11.2.1 VLIW处理机的特点
11.2.2 VLIW处理机的结构模型
11.2.3 典型处理机结构
11.3 多线程与超线程处理机
11.3.1 指令级并行与线程级并行
11.3.2 同时多线程结构
11.3.3 超线程处理机结构
11.4 向量处理机
11.4.1 向量处理的基本概念
11.4.2 向量处理机的结构
11.4.3 并行向量处理机
11.5 对称多处理机
11.5.1 多处理机系统的分类
11.5.2 SMP的基本概念
11.5.3 SMP的结构和实例
11.5.4 多处理机操作系统
11.5.5 多处理机的cache一致性
11.6 机群系统
11.6.1 机群系统的定义和特点
11.6.2 机群系统的体系结构
11.6.3 IBM SP2系统
11.6.4 超级刀片系统
本章小结
习题
第12章 教学实验设计
12.1 教学实验仪器与测试工具
12.1.1 TEC-8计算机组成与体系结构实验系统
12.1.2 逻辑测试笔
12.2 TEC-8实验系统结构和操作
12.2.1 模型计算机时序信号
12.2.2 模型计算机组成
12.2.3 模型计算机指令系统
12.2.4 开关、按钮、指示灯
12.2.5 E2PROM中微代码的修改
12.3 运算器组成实验
12.4 双端口存储器实验
12.5 数据通路实验
12.6 微程序控制器实验
12.7 CPU组成与机器指令执行实验
12.8 中断原理实验
第13章 课程综合设计
13.1 模型机硬连线控制器设计
13.2 模型机流水微程序控制器设计
13.3 模型机流水硬连线控制器设计
13.4 含有阵列乘法器的ALU设计
附录A 配套光盘与教学设备
参考文献
第1章 计算机系统概论
1.1 计算机的分类
1.2 计算机的发展简史
1.2.1 计算机的五代变化
1.2.2 半导体存储器的发展
1.2.3 微处理器的发展
1.2.4 计算机的性能指标
1.3 计算机的硬件
1.3.1 硬件组成要素
1.3.2 运算器
1.3.3 存储器
1.3.4 控制器
1.3.5 适配器与输入输出设备
1.4 计算机的软件
1.4.1 软件的组成与分类
1.4.2 软件的发展演变
1.5 计算机系统的层次结构
1.5.1 多级组成的计算机系统
1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性
1.2.3 三个常用术语的物理概念
1.5.4 计算机体系结构的分类
本章小结
习题
第2章 运算方法和运算器
2.1 数据与文字的表示方法
2.1.1 数据格式
2.1.2 数的机器码表示
2.1.3 字符与字符串的表示方法
2.1.4 汉字的表示方法
2.1.5 校验码
2.2 定点加法、减法运算
2.2.1 补码加法
2.2.2 补码减法
2.2.3 溢出概念与检测方法
2.2.4 基本的二进制加法/减法器
2.3 定点乘法运算
2.3.1 原码并行乘法
2.3.2 直接补码并行乘法
2.4 定点除法运算
2.4.1 原码除法算法原理
2.4.2 并行除法器
2.5 定点运算器的组成
2.5.1 逻辑运算
2.5.2 多功能算术逻辑运算单元
2.5.3 内部总线
2.5.4 定点运算器的基本结构
2.6 浮点运算方法和浮点运算器
2.6.1 浮点加法、减法运算
2.6.2 浮点乘法、除法运算
2.6.3 浮点运算流水线
2.6.4 浮点运算器实例
本章小结
习题
第3章 内部存储器
3.1 存储器概述
3.1.1 存储器的分类
3.1.2 存储器的分级
3.1.3 主存储器的技术指标
3.2 SRAM存储器
3.2.1 基本的静态存储元阵列
3.2.2 基本的SRAM逻辑结构
3.2.3 读/写周期波形图
3.3 DRAM存储器
3.3.1 DRAM存储元的记忆原理
3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构
3.3.3 读/写周期、刷新周期
3.3.4 存储器容量的扩充
3.3.5 高级的DRAM结构
3.3.6 DRAM主存读/写的正确性校验
3.4 只读存储器和闪速存储器
3.4.1 只读存储器ROM
3.4.2 FLASH存储器
3.5 并行存储器
3.5.1 双端口存储器
3.5.2 多模块交叉存储器
3.6 cache存储器
3.6.1 cache基本原理
3.6.2 主存与cache的地址映射
3.6.3 替换策略
3.6.4 cache的写操作策略
3.6.5 Pentium 4的cache组织
本章小结
习题
第4章 指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
4.1.2 对指令系统性能的要求
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
4.2 指令格式
4.2.1 操作码
4.2.2 地址码
4.2.3 指令字长度
4.2.4 指令助记符
4.2.5 指令格式举例
4.3 操作数类型
4.3.1 一般的数据类型
4.3.2 Pentium数据类型
4.3.3 Power PC数据类型
4.4 指令和数据的寻址方式
4.4.1 指令的寻址方式
4.4.2 操作数基本寻址方式
4.4.3 寻址方式举例
4.5 典型指令
4.5.1 指令的分类
4.5.2 基本指令系统的操作
4.5.3 精简指令系统
本章小结
习题
第5章 中央处理机
5.1 CPU的功能和组成
5.1.1 CPU的功能
5.1.2 CPU的基本组成
5.1.3 CPU中的主要寄存器
5.1.4 操作控制器与时序产生器
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念
5.2.2 MOV指令的指令周期
5.2.3 LAD指令的指令周期
5.2.4 ADD指令的指令周期
5.2.5 STO指令的指令周期
5.2.6 JMP指令的指令周期
5.2.7 用方框图语言表示指令周期
5.3 时序产生器和控制方式
5.3.1 时序信号的作用和体制
5.3.2 时序信号产生器
5.3.3 控制方式
5.4 微程序控制器
5.4.1 微程序控制原理
5.4.2 微程序设计技术
5.5 硬连线控制器
5.6 传统CPU
5.6.1 Intel 8088 CPU
5.6.2 IBM 370系列CPU
5.7 流水CPU
5.7.1 流水CPU的结构
5.7.2 流水线中的主要问题
5.7.3 奔腾CPU
5.8 RISC CPU
5.8.1 RISC CPU的特点
5.8.2 RISC CPU实例
5.9 多媒体CPU
5.9.1 多媒体技术的主要问题
5.9.2 MMX技术
本章小结
习题
第6章 总线系统
6.1 总线的概念和结构形态
6.1.1 总线的基本概念
6.1.2 总线的连接方式
6.1.3 总线的内部结构
6.2 总线接口
6.2.1 信息传送方式
6.2.2 总线接口的基本概念
6.3 总线的仲裁
6.3.1 集中式仲裁
6.3.2 分布式仲裁
6.4 总线的定时和数据传送模式
6.4.1 总线的定时
6.4.2 总线数据传送模式
6.5 HOST总线和PCI总线
6.5.1 多总线结构
6.5.2 PCI总线信号
6.5.3 总线周期类型
6.5.4 总线周期操作
6.5.5 总线仲裁
6.6 InfiniBand标准
6.6.1 InfiniBand的体系结构
6.6.2 InfiniBand的通信协议
本章小结
习题
第7章 外围设备
7.1 外围设备概述
7.1.1 外围设备的一般功能
7.1.2 外围设备的分类
7.2 磁盘存储设备
7.2.1 磁记录原理
7.2.2 磁盘的组成和分类
7.2.3 磁盘驱动器和控制器
7.2.4 磁盘上信息的分布
7.2.5 磁盘存储器的技术指标
7.3 磁盘存储设备的技术发展
7.3.1 磁盘cache
7.3.2 磁盘阵列RAID
7.3.3 可移动存储设备
7.4 磁带存储设备
7.5 光盘和磁光盘存储设备
7.5.1 光盘存储设备
7.5.2 磁光盘存储设备
7.6 显示设备
7.6.1 显示设备的分类与有关概念
7.6.2 字符图形显示器
7.6.3 图像显示设备
7.6.4 VESA显示标准
7.7 输入设备和打印设备
7.7.1 输入设备
7.7.2 打印设备
本章小结
习题
第8章 输入/输出系统
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式
8.1.1 外围设备的速度分级
8.1.2 信息交换方式
8.2 程序查询方式
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
8.3.2 程序中断方式的基本I/O接口
8.3.3 单级中断和多级中断
8.3.4 中断控制器
8.3.5 Pentium中断机制
8.4 DMA方式
8.4.1 DMA的基本概念
8.4.2 DMA传送方式
8.4.3 基本的DMA控制器
8.4.4 选择型和多路型DMA控制器
8.5 通道方式
8.5.1 通道的功能
8.5.2 通道的类型
8.5.3 通道结构的发展
8.6 通用I/0标准接口
8.6.1 并行I/O标准接口SCSI
8.6.2 串行I/O标准接口IEEE1394
本章小结
习题
第9章 操作系统支持
9.1 操作系统概述
9.1.1 操作系统的概念
9.1.2 操作系统的功能
9.1.3 操作系统的特性及其需要解决的问题
9.1.4 操作系统的硬件环境
9.2 调度
9.2.1 进程
9.2.2 调度的层次
9.2.3 处理机调度的实现
9.3 存储管理
9.3.1 分区式存储管理
9.3.2 交换技术和分布技术
9.4 虚拟存储器
9.4.1 虚拟存储器的基本概念
9.4.2 页式虚拟存储器
9.4.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器
9.4.4 虚存的替换算法
9.5 存储保护
9.5.1 存储区域保护
9.5.2 访问方式保护
9.6 奔腾系列机的虚存组织
9.6.1 存储器模型
9.6.2 虚地址模式
9.6.3 分页模式下的地址转换
本章小结
习题
第10章 安腾高性能处理机体系结构
10.1 高性能处理机体系结构的演变
10.1.1 IA体系结构的历史演变
10.1.2 英特尔64位处理机的两种体系结构
10.2 安腾体系结构的基本设计思想
10.3 安腾指令系统结构
10.3.1 执行单元与指令类型
10.3.2 安腾寄存器结构
10.3.3 安腾指令格式
10.3.4 安腾汇编语言格式
10.4 指令级并行机制
10.4.1 推断执行技术
10.4.2 推测技术
10.5 双核安腾处理机的组成
10.5.1 双核安腾处理机的基本特性
10.5.2 双核安腾处理机的组织结构
本章小结
习题
第11章 并行体系结构
11.1 体系结构中的并行性
11.1.1 并行性的概念
11.1.2 提高并行性的技术途径
11.1.3 单处理机系统中并行性的发展
11.1.4 多处理机系统中并行性的发展
11.1.5 并行处理机的体系结构类型
11.2 超长指令字处理机
11.2.1 VLIW处理机的特点
11.2.2 VLIW处理机的结构模型
11.2.3 典型处理机结构
11.3 多线程与超线程处理机
11.3.1 指令级并行与线程级并行
11.3.2 同时多线程结构
11.3.3 超线程处理机结构
11.4 向量处理机
11.4.1 向量处理的基本概念
11.4.2 向量处理机的结构
11.4.3 并行向量处理机
11.5 对称多处理机
11.5.1 多处理机系统的分类
11.5.2 SMP的基本概念
11.5.3 SMP的结构和实例
11.5.4 多处理机操作系统
11.5.5 多处理机的cache一致性
11.6 机群系统
11.6.1 机群系统的定义和特点
11.6.2 机群系统的体系结构
11.6.3 IBM SP2系统
11.6.4 超级刀片系统
本章小结
习题
第12章 教学实验设计
12.1 教学实验仪器与测试工具
12.1.1 TEC-8计算机组成与体系结构实验系统
12.1.2 逻辑测试笔
12.2 TEC-8实验系统结构和操作
12.2.1 模型计算机时序信号
12.2.2 模型计算机组成
12.2.3 模型计算机指令系统
12.2.4 开关、按钮、指示灯
12.2.5 E2PROM中微代码的修改
12.3 运算器组成实验
12.4 双端口存储器实验
12.5 数据通路实验
12.6 微程序控制器实验
12.7 CPU组成与机器指令执行实验
12.8 中断原理实验
第13章 课程综合设计
13.1 模型机硬连线控制器设计
13.2 模型机流水微程序控制器设计
13.3 模型机流水硬连线控制器设计
13.4 含有阵列乘法器的ALU设计
附录A 配套光盘与教学设备
参考文献
计算机组织与体系结构
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