計算機組成原理教程（第11版）

目錄

 

 

第1章二值計算與編碼1

1.1二值符號體系與數字計算機2

1.1.1陰陽八卦圖與二值符號體系的創立2

1.1.2二值符號體系奠定了數字計算的基礎2

1.2二值算術3

1.2.1二值算術規則3

1.2.2二進制數與十進制數的相互轉換4

1.2.3八進制、十六進制和二十進制碼6

1.2.4浮點數與定點數7

1.2.5原碼、反碼、補碼和移碼9

1.3二值邏輯12

1.3.1數字邏輯——布爾代數12

1.3.2加法器邏輯15

1.4非數值數據的0、1編碼17

1.4.1聲音的0、1編碼18

1.4.2圖形/圖像的0、1編碼19

1.4.3文字的0、1編碼21

1.4.4指令的0、1編碼26

1.5數據的抗幹擾編碼27

1.5.1奇偶檢驗碼27

1.5.2漢明碼27

1.5.3循環冗余檢驗碼28

習題30

 

第2章程序計算架構33

2.1程序計算架構的演進34

2.1.1算盤——最早的程序計算工具34

2.1.2從提花機到巴貝奇分析機——內程序計算架構的形成36

2.1.3馮·諾依曼架構的提出38

2.2馮·諾依曼體系計算機的工作原理39

2.2.1計算機存儲器39

2.2.2計算機控制器與指令的執行過程43

2.2.3計算機中的通信及其控制46

2.2.4總線49

2.2.5計算機中的寄存器50

2.3馮·諾依曼體系計算機改進52

2.3.1馮·諾依曼體系瓶頸52

2.3.2從以運算器為中心到以存儲器為中心52

2.3.3並行與共享53

2.4操作系統——程序用於計算機運行管理55

2.4.1管理的重要性55

2.4.2操作系統的功能結構56

2.4.3計算機系統結構57

2.5計算機性能評測59

2.5.1計算機的主要性能指標59

2.5.2計算機性能測試63

2.5.3CPU芯片性能及其天梯圖64

習題66

 

第3章I/O接口與I/O過程控制67

3.1I/O接口68

3.1.1I/O接口的功能68

3.1.2I/O接口的結構和類型71

3.1.3BIOS——計算機系統的I/O總接口73

3.2I/O過程的程序直接控制74

3.2.1無條件I/O傳送方式75

3.2.2程序查詢控制I/O傳送方式75

3.3I/O過程的程序中斷控制77

3.3.1程序中斷控制及其過程77

3.3.2中斷源與中斷請求79

3.3.3中斷響應82

3.3.4中斷控制器84

3.3.5多重中斷86

3.4I/O過程的DMA傳輸86

3.4.1DMA傳輸及其特點86

3.4.2DMA控制器與CPU共享存儲器沖突的解決方案88

3.4.3DMA控制器90

3.4.4DMA傳輸過程91

3.5I/O通道傳輸92

3.5.1I/O通道傳輸及其特點92

3.5.2通道傳輸原理94

3.5.3通道類型96

習題97第4章處理器架構99

4.1處理器的外特性——指令系統100

4.1.1指令與指令系統100

4.1.2指令系統的兩種設計思路: CISC與RISC103

4.1.3CISC成功案例: 80x86指令系統104

4.1.4RISC成功案例: ARM指令系統115

4.2控制器組成與設計121

4.2.1控制器的功能與組成121

4.2.2CPU時序及其控制123

4.2.3指令的微操作分析126

4.2.4組合邏輯控制器的設計與實現128

4.2.5微程序控制器的設計與實現131

4.3流水線技術136

4.3.1流水線基礎: 指令重疊與指令流水136

4.3.2流水線優化: 亂序執行與多發射140

4.4處理器的線程級並行技術143

4.4.1多核處理器與超線程處理器144

4.4.2芯片多線程、多核多線程和同時多線程146

4.4.3圖形處理器GPU148

4.5處理器並行技術討論150

4.5.1並行性及其級別150

4.5.2基於並行性的處理器Flynn分類151

4.5.3處理器並行性開發思路與途徑153

習題155

 

第5章存儲系統159

5.1計算機存儲系統結構160

5.1.1計算機存儲系統的層次性結構原理160

5.1.2存儲器系統性能參數161

5.1.3存儲系統的管理162

5.2主存儲器技術基礎165

5.2.1ROM165

5.2.2SRAM與DRAM166

5.2.3SDRAM170

5.2.4DDR SDRAM178

5.2.5GDDR存儲器與LPDDR存儲器181

5.2.6HBM184

5.2.7主存條185

5.3主存儲器架構演進189

5.3.1哈佛結構189

5.3.2雙端口存儲器192

5.3.3多體存儲器193

5.3.4並行處理機的主存儲器196

5.3.5存算一體技術197

5.3.6虛擬主存儲器198

5.4Cache主存機制201

5.4.1Cache主存的基本原理202

5.4.2Cache主存地址映射203

5.4.3Cache主存替換算法208

5.4.4Cache主存體系中的數據一致性209

5.5輔助存儲器211

5.5.1磁表面存儲器組成原理211

5.5.2磁盤分區與高級格式化214

5.5.3磁盤存儲器的技術參數218

5.5.4閃速存儲器與固態硬盤219

5.5.5硬盤與主機的通信: 硬盤接口、協議和總線223

習題224

 

第6章總線與主板227

6.1總線概述228

6.1.1總線與總線規範228

6.1.2總線的性能指標229

6.1.3總線分類230

6.2總線傳輸原理232

6.2.1總線的組成與信號基本傳輸過程232

6.2.2總線爭用與總線仲裁232

6.2.3總線通信中主從之間的時序控制235

6.3幾種標準系統總線分析239

6.3.1ISA總線239

6.3.2PCI總線240

6.3.3AGP總線244

6.4幾種標準I/O總線分析246

6.4.1ATA與SATA總線246

6.4.2SCSI與SAS總線248

6.4.3USB總線250

6.4.4FC總線254

6.5微型計算機主板254

6.5.1主板概述254

6.5.2主板構造255

6.5.3主板示例258

6.5.4主板參數259

6.5.5智慧型主板261

習題264

 

第7章計算機輸入輸出設備265

7.1計算機輸入輸出設備概述266

7.1.1計算機人機界面的進步266

7.1.2I/O設備的類型267

7.1.3綠色計算機設備268

7.2鍵盤與鼠標269

7.2.1鍵盤269

7.2.2鼠標272

7.3打印設備273

7.3.1打印設備及其類型273

7.3.2打印機的基本性能指標274

7.3.3噴墨打印機275

7.3.4激光打印機277

7.3.53D打印機278

7.4顯示器279

7.4.1平板顯示器的基本原理279

7.4.2圖像顯示的關鍵技術282

7.4.3平板顯示器的技術指標283

7.4.4觸摸屏285

7.5虛擬現實、增強現實與現實虛擬287

7.5.1虛擬現實287

7.5.2增強現實289

7.5.3現實虛擬、混合現實與介導現實291

7.6I/O設備適配器與驅動程序293

7.6.1顯示適配器293

7.6.2聲卡296

7.6.3網絡適配器298

7.6.4設備驅動程序300

習題302

 

第8章新一代計算技術展望303

8.1人工智能與智能計算304

8.1.1人工智能探索與起步304

8.1.2人工智能的應用與發展308

8.1.3機器學習——智能計算的核心技術316

8.1.4人工智能計算系統與智能體321

8.1.5腦啟發計算與類腦計算325

8.2量子計算機328

8.2.1量子計算機的基本原理328

8.2.2量子位329

8.2.3量子位門331

8.2.4量子算法333

8.2.5量子計算系統的技術路徑334

8.3未來計算技術的其他探索336

8.3.1數據流計算機、歸約機和擬態計算機336

8.3.2摩爾定律與未來計算機元器件開發337

習題341

 

參考文獻342