電腦組成與系統結構(第3版）

《電腦組成與系統結構(第3版）》主要介紹電腦組成與系統結構涉及的相關概念、理論和技術，主要內容包括指令集體系結構、數據的表示和存儲，以及實現指令集體系結構的電腦各部件的內部工作原理、組成結構及其相互連接。本書共分9章： 第1章對電腦系統及其性能評價進行概述性介紹；第2～3章主要介紹數據的機器級表示和運算，以及運算部件的結構與設計；第4～6章介紹指令系統、各種CPU設計技術及指令流水線；第7章主要介紹包含主存、外存、cache和虛擬存儲器在內的存儲器層次結構；第8章介紹總線互連及輸入輸出系統；第9章介紹並行處理計算系統的基本硬件結構和並行程序設計編程模型。 本書內容詳盡，反映現實，概念清楚，通俗易懂，實例豐富，並提供大量典型習題供讀者練習。本書可以作為高等學校電腦專業本科生“電腦組成原理”“電腦組成原理與系統結構”“電腦系統結構”課程的教材，也可以作為有關專業研究生或電腦技術人員的參考書。

目錄CONTENTS

第1章電腦系統概述1

1.1電腦的發展歷程1

1.1.1通用電子電腦的誕生1

1.1.2元器件的更新與體系結構的發展2

1.2電腦系統的基本組成3

1.2.1電腦硬件的基本組成4

1.2.2電腦軟件7

1.3電腦系統層次結構7

1.3.1電腦系統抽象層的轉換8

1.3.2電腦系統的不同用戶9

1.4程序開發與執行過程11

1.4.1從源程序到可執行程序11

1.4.2可執行文件的啟動和執行12

1.4.3程序與指令及控制信號的關系13

1.4.4指令的執行過程14

1.5電腦系統性能評價16

1.5.1電腦性能的定義16

1.5.2用指令執行速度進行性能評估18

1.5.3用基準程序進行性能評估18

1.5.4Amdahl定律19

1.6本章小結20

習題20

第2章數據的機器級表示23

2.1數制和編碼23

2.1.1信息的二進制編碼23

2.1.2進位記數制24

2.1.3定點和浮點表示27

2.1.4定點數的編碼27

2.2整數的表示32

2.2.1無符號整數的表示32

2.2.2帶符號整數的表示32

2.2.3C語言中的整數類型33

2.3實數的表示34

2.3.1浮點數的表示格式34

2.3.2浮點數的規格化36

2.3.3IEEE 754浮點數標準36

2.3.4C語言中的浮點數類型39

2.4非數值數據的編碼表示40

2.4.1邏輯值41

2.4.2西文字符41

2.4.3漢字字符42

2.5數據的寬度和存儲44

2.5.1數據的寬度和單位44

2.5.2數據的存儲和排列順序46

2.6本章小結48

習題49

目錄電腦組成與系統結構（第3版）第3章運算方法和運算部件52

3.1高級語言和機器指令中的運算52

3.1.1C語言程序中涉及的運算52

3.1.2MIPS指令中涉及的運算54

3.2基本運算部件55

3.2.1全加器和加法器55

3.2.2並行進位加法器56

3.2.3帶標志加法器58

3.2.4算術邏輯部件59

3.3定點數運算59

3.3.1補碼加減運算60

3.3.2原碼加減運算61

3.3.3原碼乘法運算62

3.3.4補碼乘法運算65

3.3.5快速乘法器67

3.3.6原碼除法運算69

3.3.7補碼除法運算74

3.4整數乘除運算76

3.4.1乘除運算溢出判斷76

3.4.2常量的乘除運算78

3.5浮點數運算80

3.5.1浮點數加減運算80

3.5.2浮點運算的精度和舍入83

3.5.3浮點數乘/除運算85

3.6本章小結87

習題88

第4章指令系統91

4.1指令格式設計91

4.1.1指令地址碼的個數91

4.1.2指令格式設計原則92

4.2指令系統設計92

4.2.1基本設計問題92

4.2.2操作數類型93

4.2.3尋址方式94

4.2.4操作類型96

4.2.5操作碼編碼97

4.2.6標志信息的生成與使用98

4.2.7指令系統設計風格99

4.2.8異常和中斷處理機制101

4.3程序的機器級表示102

4.3.1MIPS匯編語言和機器語言103

4.3.2選擇結構的機器代碼表示107

4.3.3循環結構的機器代碼表示108

4.3.4過程調用的機器代碼表示109

4.4指令系統實例： RISCV架構115

4.4.1RISCV指令系統概述115

4.4.2RISCV指令參考卡116

4.4.3基礎整數指令集119

4.5本章小結124

習題124

第5章中央處理器129

5.1CPU概述129

5.1.1CPU的基本功能129

5.1.2CPU的基本組成130

5.1.3數據通路與時序控制132

5.2單周期處理器設計133

5.2.1指令功能的描述134

5.2.2數據通路的設計135

5.2.3控制器的設計143

5.2.4時鐘周期的確定149

5.3多周期處理器設計150

5.3.1多周期處理器設計思想150

5.3.2多周期數據通路設計151

5.3.3硬連線控制器設計154

5.3.4微程序控制器設計156

5.4帶異常處理的處理器設計158

5.4.1CPU對異常和中斷的處理158

5.4.2帶異常處理的數據通路設計160

5.4.3帶異常處理的有限狀態機161

5.5本章小結162

習題162

第6章指令流水線165

6.1流水線概述165

6.1.1流水線的執行效率165

6.1.2適合流水線的指令集特徵166

6.2流水線處理器的實現167

6.2.1每條指令的流水段分析167

6.2.2流水線數據通路的設計168

6.2.3流水線控制器的設計173

6.3流水線冒險及其處理174

6.3.1結構冒險174

6.3.2數據冒險176

6.3.3控制冒險182

6.4高級流水線技術191

6.4.1靜態多發射處理器191

6.4.2動態多發射處理器195

6.4.3Pentium 4處理器的流水線結構199

6.5本章小結202

習題203

第7章存儲器層次結構206

7.1存儲器概述206

7.1.1存儲器的分類206

7.1.2主存儲器的組成和基本操作207

7.1.3存儲器的層次化結構208

7.2半導體隨機存取存儲器209

7.2.1基本存儲元件209

7.2.2SRAM芯片和DRAM芯片210

7.2.3SDRAM芯片技術213

7.2.4內存條和內存條插槽214

7.2.5存儲器芯片的擴展215

7.2.6多模塊存儲器217

7.3外部輔助存儲器218

7.3.1磁盤存儲器的結構219

7.3.2磁盤存儲器的性能指標220

7.3.3磁盤存儲器的連接222

7.3.4冗餘磁盤陣列222

7.3.5Flash存儲器和U盤223

7.3.6固態硬盤225

7.4存儲器的數據校驗225

7.4.1數據校驗基本原理225

7.4.2奇偶校驗碼226

7.4.3海明校驗碼227

7.4.4循環冗餘校驗碼231

7.5高速緩沖存儲器233

7.5.1程序訪問的局部性233

7.5.2cache的基本工作原理235

7.5.3cache行和主存塊之間的映射方式237

7.5.4cache中主存塊的替換算法244

7.5.5cache的一致性問題247

7.5.6cache缺失對總體性能的影響248

7.5.7cache設計應考慮的問題249

7.5.8cache結構舉例251

7.6虛擬存儲器252

7.6.1虛擬存儲器的基本概念252

7.6.2進程的虛擬地址空間253

7.6.3虛擬存儲器的實現255

7.6.4存儲保護263

7.7本章小結267

習題267

第8章系統互連及輸入輸出組織273

8.1外部設備的分類與特點273

8.1.1外設的分類273

8.1.2外設的特點274

8.2常用輸入輸出設備274

8.2.1鍵盤274

8.2.2打印機275

8.2.3顯示器277

8.3外設與CPU和主存的互連278

8.3.1總線的基本概念278

8.3.2基於總線的互連結構280

8.3.3I/O接口的功能283

8.3.4I/O接口的通用結構285

8.3.5I/O埠及其編址286

8.4I/O數據傳送控制方式288

8.4.1程序直接控制I/O方式288

8.4.2中斷控制I/O方式291

8.4.3DMA方式301

8.5內核空間I/O軟件304

8.5.1I/O子系統概述304

8.5.2與設備無關的I/O軟件306

8.5.3設備驅動程序308

8.5.4中斷服務程序309

8.6本章小結309

習題310

第9章並行處理系統313

9.1並行處理系統概述313

9.1.1並行處理的主要技術問題313

9.1.2並行處理系統的分類315

9.2多處理器系統317

9.2.1UMA多處理器結構318

9.2.2NUMA多處理器結構320

9.2.3多處理器系統中的互連網絡322

9.2.4多核處理器和硬件多線程技術323

9.2.5共享存儲器的同步控制325

9.3多電腦系統329

9.3.1集群多電腦系統330

9.3.2網格多電腦系統333

9.4向量處理機和SIMD技術333

9.4.1向量電腦334

9.4.2Intel架構中的SIMD技術335

9.4.3GPU架構338

9.5並行處理編程模式簡介340

9.6本章小結343

參考文獻345