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1计算机系统概述1

1．1计算机系统的基本组成和它的层次结构1

1．2计算机硬件系统的5个功能部件及其功能5

1．3计算机主要的技术与性能指标8

1．4计算机的体系结构、组成和实现概述10

1．5计算机发展进步、分类与拓展应用的进程12

本章内容小结15

习题与思考题16

2数字电路基础和计算机中的逻辑部件17

2． 1数字电路（digital circuit）基础17

2．1．1半导体材料和晶体二极管简介17

2．1．2双极型三极管的结构及其伏安特性20

2． 1． 3 MOS管的结构和它的伏安特性21

2． 2基本逻辑门和布尔代数知识基础23

2． 2． 1最基本的逻辑门电路23

2． 2．2布尔代数知识基础及其应用26

2． 3组合逻辑电路（combinational logic circuit）及其应用29

2． 3． 1基本逻辑门29

2．3．2三态门30

2．3．3多路选择器32

2． 3．4编码器和译码器32

2．3．5应用案例33

2． 4时序（sequential）逻辑电路及其应用36

2． 4． 1基本R-S触发器（flip flop）36

2． 4． 2 D型触发器与寄存器37

2．4．3存储器（memory）芯片（chip）简介38

2． 4． 4应用案例38

2． 5现场可编程逻辑器件及其应用40

2． 5． 1现场可编程器件概述40

2．5．2现场可编程器件的编程和应用42

2． 5． 3应用案例43

本章内容小结45

习题与思考题45

3数据表示、数据运算算法及其线路实现47

3． 1数字化信息编码的概念和二进制编码知识47

3．1．1数字化信息编码的概念47

3．1．2二进制编码和码制转换48

3． 1． 3检错纠错码55

3．2数据表示——常用的信息编码59

3． 2． 1逻辑类型数据的表示60

3．2．2字符类型数据的表示60

3．2． 3数值类型数据的表示62

3． 3二进制数值数据的编码方案与运算算法68

3． 3． 1原码、反码、补码的定义68

3．3．2补码加、减运算规则和电路实现73

3． 3． 3原码一位乘法、除法的实现方案75

3．3．4实现乘法、除法的其他方案80

习题与思考题86

4计算机的运算器部件88

4． 1算术逻辑运算部件的功能设计与线路实现89

4．2计算机的定点运算器92

4． 2． 1定点运算器部件的功能、组成与控制92

4． 2． 2 MIPS计算机多周期CPU系统中的运算器部件的组成与实现93

4．2．3运算器芯片Am2901实例97

4．3基于Am2901芯片的运算器部件101

4．3．1用4片Am2901芯片构建16位的运算器部件101

4．3．2 4片Am2901芯片之外的线路设计103

4．4浮点运算与浮点运算器105

4．4．1浮点数的运算规则105

4．4．2浮点运算器举例112

4． 5提高运算器部件处理能力的可行途径113

4．5．1计算机性能的演变和并行性发展概述113

4．5．2提高计算机运算器处理能力的可行途径114

本章内容小结116

习题与思考题116

5指令、指令系统和汇编语言程序设计118

5． 1指令格式和指令系统概述118

5．1．1操作码的组织与编码120

5． 1． 2有关操作数的个数、来源、去向和地址的安排121

5．1．3指令的分类122

5． 2寻址方式概述与应用实例124

5． 2． 1基本寻址方式概述124

5．2．2寻址方式应用举例127

5． 3指令系统举例130

5． 3． 1 Pentium Ⅱ计算机的指令系统130

5． 3． 2 MIPS指令系统和MIPS16e指令系统132

5．3．3 TEC-2000A和TH-union系列示例计算机的指令系统135

5．4示例计算机的汇编程序设计简介137

5．4． 1汇编语言及其程序设计中的有关概念137

5．4． 2示例计算机支持的语言和程序设计140

本章内容小结144

习题与思考题144

6计算机的控制器部件146

6． 1控制器的功能、组成与指令执行步骤概述147

6．1．1控制器部件的功能、组成概述147

6． 1．2指令的执行步骤概述148

6． 2硬连线控制器部件150

6． 2． 1硬连线控制器的组成和运行原理简介150

6．2．2 MIPS32计算机的控制器简介152

6． 2． 3 TEC和TH-union系列示例计算机的硬连线控制器161

6． 3微程序控制器部件176

6． 3．1微程序控制器的基本组成和运行原理176

6． 3． 2微程序设计中的下地址形成逻辑的硬件技术179

6． 3． 3 TEC和TH-union系列示例计算机的微程序控制器182

6． 4指令流水线的概念和实现技术194

6． 4． 1流水线的基本概念和主要性能指标195

6． 4． 2指令流水线中的相关问题及其解决方案204

6． 4． 3在示例计算机中实现指令流水线的解决方案206

6． 4． 4 MIPS计算机中的指令流水线技术209

6． 4． 5指令级并行技术210

6． 4． 6向量处理机214

本章内容小结219

习题与思考题220

7多级结构的存储器系统223

7． 1存储器系统概述224

7．1．1存储器分类225

7．1．2存储器系统的设计目标和解决思路226

7． 2主存储器228

7． 2． 1主存储器概述228

7． 2． 2动态存储器芯片的存储原理和读写过程230

7． 2． 3静态存储器的存储原理和内部结构233

7．2．4主存储器实现与应用中的几项技术234

7．2．5 TEC-2000教学计算机内存储器的组成与设计236

7． 3外存储设备与磁盘阵列技术241

7． 3． 1外存储设备概述241

7． 3． 2磁盘设备与磁盘阵列技术245

7． 3． 3光盘设备与技术253

7． 4高速缓冲存储器cache260

7． 4． 1层次存储器系统的运行原理和必须遵从的原则260

7． 4． 2高速缓冲存储器cache的工作原理和组织262

7．4．3 Pentium机的cache管理272

7． 5虚拟存储器276

7． 5． 1虚拟存储器的概念276

7． 5． 2段式虚拟存储器278

7． 5． 3页式虚拟存储器278

7．5．4 Pentium机的存储器管理280

7． 6提高存储器系统性能的可行途径284

本章内容小结286

习题与思考题287

8计算机的总线与输入输出系统290

8． 1计算机的总线290

8．1．1总线概述290

8．1．2总线结构和总线宽度293

8． 1． 3总线时钟295

8．1．4总线仲裁和总线操作298

8． 1． 5总线举例301

8． 2输入输出设备308

8． 2． 1常用输入设备309

8． 2． 2常用输出设备311

8． 2． 3计算机终端321

8． 3输入输出接口322

8． 3． 1输入输出接口的功能322

8． 3． 2通用可编程接口组成322

8．3．3输入输出接口举例323

8． 4输入输出方式327

8．4． 1程序直接控制方式327

8． 4． 2程序中断传送方式328

8． 4． 3直接存储器访问方式331

8． 4． 4 I/O通道控制方式334

8． 4． 5外围处理机方式334

本章内容小结334

习题与思考题334

9并行计算机体系结构336

9． 1片内并行337

9．1．1指令级并行337

9． 1． 2片内多线程338

9． 1． 3单片多处理器343

9． 2协处理器344

9．3共享内存的多处理器系统345

9．3． 1多处理器与多计算机的比较345

9．3．2 UMA对称多处理器体系结构348

9．3．3 NUMA多处理器系统352

9． 3． 4 COMA多处理器系统357

9． 4消息传递的多计算机系统358

9． 4． 1 MPP——大规模并行处理器359

9． 4． 2集群计算367

9． 5网格计算371

本章内容小结374

习题与思考题374

参考文献376