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第1章 概述1

1.1　结构化计算机组成1

1.1.1　语言、层次和虚拟机1

1.1.2　现代多层次计算机3

1.1.3　多层次计算机的演化5

1.2　计算机体系结构的里程碑8

1.2.1　第零代——机械计算机（1642—1945）9

1.2.2　第一代——电子管计算机（1945—1955）10

1.2.3　第二代——晶体管计算机（1955—1965）12

1.2.4　第三代——集成电路计算机（1965—1980）14

1.2.5　第四代——超大规模集成电路计算机（1980—？）15

1.2.6　第五代——无所不在的计算机17

1.3　计算机家族17

1.3.1　技术和经济的推动17

1.3.2　计算机谱系19

1.3.3　一次性计算机19

1.3.4　微控制器21

1.3.6　个人计算机22

1.3.5　游戏机22

1.3.7　服务器23

1.3.8　工作站群集23

1.3.9　大型机24

1.4　系列计算机举例24

1.4.1　Pentium 4简介25

1.4.2　UltraSPARC Ⅲ简介28

1.4.3　8051简介29

1.5　公制计量单位31

1.6　本书概览32

习题33

第2章 计算机系统组成34

2.1 处理器34

2.1.1　CPU的组成35

2.1.2　指令执行36

2.1.3　RISC和CISC38

2.1.4　现代计算机设计原则39

2.1.5　指令级并行40

2.1.6　处理器级并行43

2.2　主存储器46

2.2.1　存储位46

2.2.2　内存编址46

2.2.3　字节顺序47

2.2.4　纠错码49

2.2.5　高速缓存51

2.2.6　内存封装及其类型53

2.3.1　层次存储结构54

2.3　辅助存储器54

2.3.2　磁盘55

2.3.3　软盘57

2.3.4　IDE盘58

2.3.5　SCSI盘59

2.3.6　RAID盘60

2.3.7　只读光盘63

2.3.8　可刻光盘66

2.3.9　可擦写光盘67

2.3.10　DVD68

2.3.11 Blu-Ray69

2.4　输入／输出设备69

2.4.1 总线69

2.4.2　终端72

2.4.3 鼠标75

2.4.4　打印机76

2.4.5　通信设备80

2.4.6　数码相机86

2.4.7　字符编码87

2.5　小结90

习题91

第3章 数字逻辑层93

3.1 门和布尔代数93

3.1.1 门93

3.1.2　布尔代数95

3.1.3　布尔函数的实现96

3.1.4　等价电路98

3.2.1　集成电路100

3.2　基本数字逻辑电路100

3.2.2　组合逻辑电路102

3.2.3　算术电路106

3.2.4　时钟109

3.3　内存110

3.3.1　锁存器110

3.3.2　触发器112

3.3.3　寄存器114

3.3.4　内存组成114

3.3.5　内存芯片117

3.3.6　RAM和ROM119

3.4　CPU芯片和总线121

3.4.1　CPU芯片122

3.4.2　计算机总线123

3.4.3　总线宽度125

3.4.4　总线时钟126

3.4.5　总线仲裁129

3.4.6　总线操作132

3.5.1　Pentium 4133

3.5　CPU芯片举例133

3.5.2　UltraSPARC Ⅲ138

3.5.3　8051芯片141

3.6　总线举例143

3.6.1　ISA总线144

3.6.2　PCI总线145

3.6.3　PCI Express151

3.6.4　通用串行总线154

3.7　接口电路157

3.7.1　输入／输出芯片157

3.7.2　地址译码158

3.8　小结160

习题161

第4章 微体系结构层164

4.1　微体系结构举例164

4.1.1　数据通路165

4.1.2　微指令169

4.1.3　微指令控制：Mic-1171

4.2.1　栈174

4.2　指令系统举例：IJVM174

4.2.2　IJVM内存模型176

4.2.3　IJVM指令集177

4.2.4　将Java编译为IJVM180

4.3　实现举例181

4.3.1　微指令和符号181

4.3.2　用Mic-1实现IJVM185

4.4.1　速度与价格194

4.4　微体系结构层设计194

4.4.2　缩短指令执行路径长度195

4.4.3　带预取的设计：Mic-2200

4.4.4　流水线设计：Mic-3203

4.4.5　七段流水线设计：Mic-4207

4.5　提高性能209

4.5.1　高速缓存210

4.5.2　分支预测214

4.5.3　乱序执行和寄存器重命名218

4.5.4　推测执行222

4.6　微体系结构层举例223

4.6.1　Pentium 4 CPU的微体系结构224

4.6.2　UltraSPARC Ⅲ Cu CPU的微体系结构228

4.6.3　8051 CPU的微体系结构232

4.7　Pentium、UltraSPARC和8051三种CPU的比较233

4.8　小结234

习题235

第5章　指令系统层238

5.1　指令系统层概述239

5.1.1　指令系统层的性质239

5.1.2　存储模式240

5.1.3　寄存器242

5.1.4　指令243

5.1.5　Pentium 4指令系统层概述243

5.1.6　UltraSPARC Ⅲ指令系统层概述245

5.1.7　8051指令系统层概述248

5.2.1　数值数据类型250

5.2　数据类型250

5.2.2　非数值数据类型251

5.2.3　Pentium 4的数据类型251

5.2.4　UltraSPARC Ⅲ的数据类型252

5.2.5　8051的数据类型252

5.3　指令格式252

5.3.1　指令格式设计准则253

5.3.2　扩展操作码255

5.3.3　Pentium 4指令格式256

5.3.4　UltraSPARC Ⅲ指令格式257

5.3.5　8051指令格式258

5.4　寻址259

5.4.1 寻址方式259

5.4.2　立即寻址259

5.4.3　直接寻址260

5.4.4　寄存器寻址260

5.4.5　寄存器间接寻址260

5.4.6　变址寻址261

5.4.7　基址变址寻址262

5.4.8　栈寻址263

5.4.9　转移指令的寻址方式265

5.4.10　操作码和寻址方式的关系265

5.4.11　Pentium 4的寻址方式267

5.4.12　UltraSPARC Ⅲ的寻址方式268

5.4.13　8051的寻址方式269

5.4.14　寻址方式讨论269

5.5.1　数据移动指令270

5.5　指令类型270

5.5.2　双操作数指令271

5.5.3　单操作数指令271

5.5.4　比较和条件转移指令273

5.5.5　过程调用指令274

5.5.6　循环控制指令275

5.5.7　输入／输出指令275

5.5.8　Pentium 4指令系统278

5.5.9　UltraSPARC Ⅲ指令系统280

5.5.10　8051指令系统282

5.5.11　指令集比较284

5.6　控制流285

5.6.1　顺序控制流和转移285

5.6.2　过程286

5.6.3　协同过程289

5.6.4　陷阱290

5.6.5 中断291

5.7.1　Pentium 4汇编语言实现的汉诺塔294

5.7　详细举例：汉诺塔294

5.7.2　UltraSPARC Ⅲ汇编语言实现的汉诺塔296

5.8　IA-64体系结构和Itanium 2297

5.8.1　Pentium 4的问题298

5.8.2　IA-64模型：显式并行指令计算299

5.8.3　减少内存访问299

5.8.4　指令调度300

5.8.5　减少条件转移：判定301

5.9　小结303

5.8.6　推测加载303

习题304

第6章 操作系统层308

6.1　虚拟内存309

6.1.1 内存分页309

6.1.2　内存分页的实现310

6.1.3　请求调页和工作集模型313

6.1.4　页置换策略314

6.1.5　页大小和碎片315

6.1.6　分段316

6.1.7　分段的实现318

6.1.8　Pentium 4中的虚拟内存320

6.1.9　UltraSPARC Ⅲ的虚拟内存323

6.1.10　虚拟内存和高速缓存325

6.2　虚拟输入／输出指令326

6.2.1　文件326

6.2.2　虚拟输入／输出指令的实现328

6.2.3　目录管理指令330

6.3.1 进程创建331

6.3　用于并行处理的虚拟指令331

6.3.2　竞争条件332

6.3.3　使用信号量的进程同步335

6.4　操作系统实例338

6.4.1　简介338

6.4.2　虚拟内存实例345

6.4.3　虚拟输入／输出举例347

6.4.4　进程管理实例356

6.5　小结360

习题361

第7章 汇编语言层365

7.1　汇编语言简介365

7.1.1 什么是汇编语言365

7.1.2　为什么使用汇编语言366

7.1.3　汇编语言语句的格式368

7.1.4　伪指令370

7.2　宏372

7.2.1　宏定义、调用和扩展372

7.2.2　带参数的宏373

7.2.3　高级特性374

7.2.4　汇编器中宏处理的实现374

7.3　汇编过程375

7.3.1　两趟汇编的汇编器375

7.3.2　第一趟扫描375

7.3.3　第二趟扫描378

7.3.4　符号表380

7.4　链接和加载381

7.4.1　链接器的功能382

7.4.2　目标模块的结构384

7.4.3　绑定时间和动态重定位385

7.4.4　动态链接387

7.5　小结390

习题390

第8章 并行计算机体系结构393

8.1 片内并行394

8.1.1　指令级并行394

8.1.2　片内多线程399

8.1.3　单片多处理器403

8.2　协处理器407

8.2.1　网络处理器407

8.2.2　媒体处理器412

8.2.3　加密处理器416

8.3　共享内存的多处理器417

8.3.1　多处理器与多计算机417

8.3.2　内存语义423

8.3.3　UMA对称多处理器体系结构426

8.3.4　NUMA多处理器系统432

8.3.5　COMA多处理器系统438

8.4　消息传递的多计算机439

8.4.1　互连网络440

8.4.2　MPP——大规模并行处理器443

8.4.3　集群计算450

8.4.4　多计算机的通信软件454

8.4.5　调度456

8.4.6　应用层的共享内存456

8.4.7　性能462

8.5　网格计算466

8.6　小结468

习题469

第9章 推荐读物和参考文献471

9.1　推荐读物471

9.1.1　一般性和介绍性的读物471

9.1.2　计算机系统组成472

9.1.3　数字逻辑层473

9.1.4　微体系结构层473

9.1.5　指令系统层474

9.1.6　操作系统层475

9.1.7　汇编语言层475

9.1.8　并行计算机体系结构475

9.1.9　二进制数和浮点数477

9.1.10　汇编语言程序设计477

9.2　参考文献478

附录A 二进制数490

附录B　浮点数499

附录C 汇编语言程序设计505