計算機組成與交互計算

目錄

第1章計算機組成與交互計算概論/1

1.1計算機組成的基本概念和原理1

1.1.1計算機的硬件系統1

1.1.2計算機的軟件系統7

1.1.3計算機的主要性能指標9

1.1.4計算機的工作原理12

1.2交互計算的基本概念和特點13

1.2.1交互計算的概念13

1.2.2並行計算的發展14

1.2.3交互計算典型應用領域15

1.2.4人機交互與智能計算16

1.2.5智能計算系統21

1.3計算機組成與人工智能24

1.4本章小結26

1.4.1內容總結26

1.4.2常見問題27

1.4.3思考題27

第2章計算系統的發展歷程/29

2.1計算機的發展歷程和特點29

2.1.1計算機的發展歷史29

2.1.2發展階段的主要特征33

2.1.3計算機的發展趨勢33

2.2計算機處理器的發展與演變35

2.2.1處理器的發展歷史35

2.2.2處理器發展趨勢分析37

2.2.3多核處理器的演變38

2.2.4新興技術對CPU發展的影響40

2.3計算機的未來發展和創新44

2.3.1高性能處理器的演進與智能計算需求442.3.2存儲器系統的優化與智能計算任務56

2.3.3I/O設備的改進與智能交互需求56

2.4本章小結60

2.4.1內容總結60

2.4.2常見問題61

2.4.3思考題61

第3章數據的表示/62

3.1數據表示的作用62

3.2無符號數和有符號數62

3.2.1無符號數62

3.2.2有符號數63

3.3數的定點表示和浮點表示67

3.3.1定點表示67

3.3.2浮點表示69

3.4計算機中的數據類型73

3.4.1匯編語言中的數據類型73

3.4.2高級語言中的數據類型74

3.4.3非數值數據表示76

3.4.4數據信息的校驗78

3.5本章小結86

3.5.1內容總結86

3.5.2常見問題86

3.5.3思考題87

第4章計算機的“四則運算”/88

4.1定點運算88

4.1.1移位運算88

4.1.2加減法運算90

4.1.3乘法運算92

4.1.4除法運算99

4.2浮點四則運算103

4.2.1浮點加減運算103

4.2.2浮點乘除運算105

4.3算術邏輯單元106

4.3.1ALU電路106

4.3.2快速進位鏈107

4.4本章小結111

4.4.1內容總結111

4.4.2常見問題112

4.4.3思考題112

第5章數據的讀寫——存儲系統/113

5.1存儲器的分類和層次結構113

5.1.1存儲器的分類114

5.1.2存儲器層次結構116

5.2主存儲器119

5.2.1主存儲器概述119

5.2.2半導體存儲芯片概述121

5.2.3隨機存取存儲器123

5.2.4只讀存儲器132

5.2.5存儲器與CPU的連接134

5.2.6存儲器的校驗136

5.2.7提高訪存速度的措施137

5.3高速緩沖存儲器（Cache）141

5.3.1概述141

5.3.2Cache—主存的地址映射145

5.3.3替換算法151

5.4輔助存儲器154

5.4.1概述154

5.4.2磁記錄原理和記錄方式155

5.5本章小結157

5.5.1內容總結158

5.5.2常見問題159

5.5.3思考題159

第6章指令系統與智能交互/160

6.1機器指令160

6.1.1指令系統概述160

6.1.2指令的一般格式161

6.1.3指令字長164

6.2操作數類型和操作類型164

6.2.1操作數類型164

6.2.2數據在存儲器中的存放方式165

6.2.3指令分類方法166

6.2.4操作類型167

6.3尋址方式170

6.3.1指令尋址170

6.3.2數據尋址170

6.4指令格式舉例176

6.4.1設計指令格式時應考慮的各種因素176

6.4.2指令格式舉例177

6.5RISC技術179

6.5.1RISC的產生和發展179

6.5.2RISC的主要特征179

6.5.3CISC的主要特征180

6.5.4RISC和CISC的比較180

6.6MIPS技術181

6.6.1MIPS指令概述181

6.6.2MIPS體系結構中的寄存器182

6.6.3MIPS指令格式182

6.6.4MIPS指令尋址方式183

6.7交互計算系統183

6.7.1計算: AI算力載體與核心183

6.7.2網絡: 核心器件突破算力瓶頸185

6.7.3存儲: 半導體產業獨立自主構建生態壁壘189

6.8本章小結191

6.8.1內容總結191

6.8.2常見問題192

6.8.3思考題192

第7章交互計算的核心——處理器/194

7.1CPU的基礎組成和工作原理194

7.1.1CPU的結構194

7.1.2CPU中的主要寄存器195

7.1.3操作控制器與時序產生器197

7.2指令周期197

7.2.1指令周期的基本概念197

7.2.2指令周期的數據流199

7.3指令流水200

7.3.1指令流水原理201

7.3.2影響流水線性能的因素203

7.3.3流水線性能207

7.3.4流水線中的多發技術208

7.3.5流水線結構210

7.4中斷系統211

7.4.1概述211

7.4.2中斷請求標記和中斷判優邏輯212

7.4.3中斷服務程序入口地址的尋找213

7.4.4中斷響應214

7.4.5保護現場和恢復現場215

7.4.6中斷屏蔽技術216

7.5本章小結220

7.5.1內容總結220

7.5.2常見問題221

7.5.3思考題221

第8章交互計算的鏈接——總線系統/222

8.1總線的概念和結構222

8.1.1總線基本概念222

8.1.2總線分類223

8.1.3總線的特性及性能指標224

8.1.4總線結構225

8.2總線標準與技術229

8.2.1總線標準229

8.2.2新一代總線技術231

8.3總線控制233

8.3.1判優控制233

8.3.2通信控制234

8.4本章小結236

8.4.1內容總結236

8.4.2常見問題237

8.4.3思考題238

第9章I/O系統和交互接口/239

9.1I/O系統的概念與組成239

9.1.1I/O系統基本概念239

9.1.2I/O系統基本組成240

9.2I/O設備基本組成240

9.2.1輸入設備與其工作原理240

9.2.2輸入方式242

9.2.3輸出設備與其工作原理244

9.2.4輸出方式248

9.3I/O設備與主機信息傳送的控制方式249

9.3.1程序查詢方式249

9.3.2程序中斷方式252

9.3.3DMA方式256

9.4I/O設備與主機的聯系方式259

9.4.1I/O設備編址方式260

9.4.2設備尋址261

9.4.3傳送方式261

9.4.4聯絡方式261

9.5I/O接口262

9.5.1I/O接口基本組成和主要功能262

9.5.2I/O接口類型263

9.6人機交互接口267

9.6.1基礎人機交互接口267

9.6.2新一代人機交互接口269

9.7本章小結270

9.7.1內容總結270

9.7.2常見問題271

9.7.3思考題271

第10章交互計算的決策——控制單元/272

10.1微操作命令的分析272

10.1.1取指周期272

10.1.2間址周期273

10.1.3執行周期273

10.1.4中斷周期275

10.2控制單元的功能275

10.2.1控制單元的外特性275

10.2.2控制信號舉例276

10.2.3多級時序系統279

10.2.4控制方式281

10.2.5多級時序系統實例分析283

10.3控制單元的設計286

10.3.1組合邏輯設計286

10.3.2微操作的節拍安排287

10.3.3組合邏輯設計的步驟287

10.4微程序設計288

10.4.1硬布線控制器與微程序控制器288

10.4.2微程序控制單元框圖及工作原理289

10.4.3微指令的編碼方式、序列地址的形成及格式291

10.4.4靜態微程序設計、動態微程序設計和毫微程序設計295

10.4.5串並行微程序控制和微程序設計舉例296

10.5本章小結297

10.5.1內容總結297

10.5.2常見問題298

10.5.3思考題298

第11章智能芯片和AI大模型/300

11.1算力芯片的架構300

11.1.1通用架構301

11.1.2高性能計算架構304

11.1.3AI專用架構312

11.2AI大模型319

11.2.1AI開發框架與開發平臺319

11.2.2AI大模型的應用領域331

11.2.3DeepSeek開源大模型引領技術突破334

11.2.4AI大模型的挑戰與未來發展335

11.3鯤鵬系列處理器337

11.3.1架構和特點337

11.3.2鯤鵬系列芯片338

11.3.3鯤鵬在人工智能領域的應用339

11.4本章小結340

11.4.1內容總結340

11.4.2常見問題341

11.4.3思考題341

第12章新一代智能交互計算系統/342

12.1無人駕駛和智能交通系統342

12.1.1無人駕駛系統342

12.1.2AI大模型賦能智能交通系統352

12.2智能服務機器人355

12.2.1服務機器人的類別356

12.2.2通用人形機器人358

12.2.3未來人形機器人的重要市場363

12.3具身智能364

12.3.1具身機器人的控制單元366

12.3.2具身機器人的算力和存儲366

12.3.3具身機器人的大模型370

12.3.4具身機器人的未來展望375

12.4本章小結379

12.4.1內容總結380

12.4.2常見問題380

12.4.3思考題381