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第1章 绪论1

1.1 计算机体系结构的基本概念1

1.2 计算机的发展简史2

1.2.1 机械式计算机的发展2

1.2.2 电子计算机硬件结构的发展3

1.2.3 微处理器的发展7

1.2.4 从模拟计算机到数字计算机8

1.2.5 计算机软件的发展9

1.3 计算机体系结构的分类13

1.3.1 冯·诺依曼体系结构13

1.3.2 哈佛体系结构14

1.3.3 Flynn计算机体系结构的分类15

1.3.4 冯泽云分类法16

1.3.5 计算机的语言层次结构16

1.3.6 计算机的总线组织结构17

1.3.7 计算机的软件系统19

1.4 计算机系统的性能指标19

1.4.1 摩尔定律19

1.4.2 性能测试程序19

1.4.3 基本性能指标20

1.4.4 Amdahl定律23

1.5 计算机的应用24

习题125

第2章 数的表示与计算体系27

2.1 进位计数制与数制转换27

2.1.1 进位计数制27

2.1.2 数制间的转换30

2.2 无符号数与文字的表示32

2.2.1 无符号数的表示32

2.2.2 十进制数串的表示33

2.2.3 西文字符在计算机中的表示33

2.2.4 中文字符在计算机中的表示34

2.2.5 布尔代数与布尔逻辑35

2.3 带符号数的表示38

2.3.1 机器数与真值38

2.3.2 原码表示39

2.3.3 补码表示40

2.3.4 反码表示41

2.3.5 移码表示42

2.4 定点数与定点运算43

2.4.1 定点表示43

2.4.2 加法与减法运算43

2.4.3 原码乘法运算45

2.4.4 原码除法运算47

2.4.5 补码乘法运算47

2.4.6 补码除法运算50

2.4.7 移位运算50

2.4.8 运算器的基本结构52

2.5 浮点数与浮点运算55

2.5.1 浮点表示55

2.5.2 IEEE754浮点数标准57

2.5.3 浮点加减运算59

2.5.4 浮点乘除运算61

2.5.5 浮点运算流水线62

2.6 BCD码63

2.6.1 BCD码的格式63

2.6.2 BCD码加减法64

2.6.3 BCD码乘除法65

2.7 数据校验码65

2.7.1 码距与数据校验码65

2.7.2 奇偶校验码66

2.7.3 循环冗余校验码67

2.7.4 海明校验码70

2.8 时序逻辑电路72

2.8.1 触发器72

2.8.2 寄存器73

2.8.3 计数器74

2.9 组合逻辑电路74

2.9.1 三态电路74

2.9.2 比较器74

2.9.3 加法器75

2.9.4 编码器75

2.9.5 译码器76

2.9.6 数据选择器76

2.9.7 总线76

2.10 阵列逻辑电路77

2.10.1 阵列乘法器77

2.10.2 阵列除法器79

2.10.3 可编程逻辑阵列（PLA）79

2.10.4 可编程阵列逻辑（PAL）80

习题280

第3章 指令系统设计82

3.1 指令类型与功能82

3.1.1 数据传送指令84

3.1.2 算术运算指令85

3.1.3 逻辑运算指令85

3.1.4 算术移位指令86

3.1.5 逻辑移位指令87

3.1.6 堆栈操作指令88

3.1.7 程序控制指令88

3.1.8 输入输出指令90

3.1.9 其他指令91

3.2 数据类型91

3.2.1 数值数据类型91

3.2.2 字符类型92

3.2.3 逻辑数据类型92

3.3 寻址方式92

3.3.1 指令寻址93

3.3.2 操作数寻址94

3.4 指令系统设计方法101

3.4.1 地址结构划分方法101

3.4.2 指令系统设计的步骤103

3.4.3 指令的操作码编码103

3.4.4 指令的地址码编址105

3.4.5 Huffman优化编码方法106

3.5 CISC与RISC指令系统设计107

3.5.1 复杂指令集计算机（CISC）107

3.5.2 精简指令集计算机（RISC）108

3.6 80x86/Pentium指令系统109

3.6.1 80x86指令系统主要特征109

3.6.2 80x86寻址方式109

3.6.3 8088/8086 CPU的指令系统分类111

3.6.4 Pentium指令系统116

3.6.5 80x86/Pentium常用伪指令117

3.7 ARM指令系统118

3.7.1 ARM指令系统主要特征118

3.7.2 ARM寻址方式119

3.7.3 ARM指令系统分类120

3.7.4 Thumb指令及应用121

3.7.5 ARM汇编语言的伪操作122

3.7.6 ARM汇编语言的程序结构122

3.8 MIPS指令系统设计123

3.8.1 MIPS概述123

3.8.2 MIPS指令格式124

习题3127

第4章 中央处理器体系结构设计129

4.1 CPU的基本结构129

4.2 CPU中的主要寄存器130

4.2.1 用户可见寄存器130

4.2.2 控制和状态寄存器131

4.3 控制器的结构132

4.3.1 指令执行的基本步骤132

4.3.2 控制器的组成133

4.3.3 时序产生器和控制方式135

4.4 组合逻辑控制器设计138

4.4.1 组合逻辑控制器的设计原理138

4.4.2 方框图语言与指令流程分析／数据通路分析139

4.4.3 MIPS的单周期设计方案143

4.4.4 MIPS的多周期设计方案146

4.4.5 MIPS控制器的设计148

4.5 微程序控制器设计150

4.5.1 微程序控制器的设计原理150

4.5.2 微程序控制器的组成152

4.5.3 微程序控制器设计步骤153

4.5.4 微指令的编译方法154

4.5.5 微程序的顺序控制方式155

4.5.6 微指令的执行方式158

4.5.7 微指令格式的设计方法159

4.5.8 微程序设计技术的应用161

4.6 流水线工作原理163

4.6.1 指令的执行方式163

4.6.2 流水线的分类166

4.6.3 线性流水线的性能167

4.6.4 流水线的相关问题169

4.7 典型的处理器设计170

4.7.1 Intel的Pentium处理器结构与设计170

4.7.2 ARM系列处理器结构与设计171

4.7.3 SUN的SPARC系统172

4.7.4 多核处理器的结构与设计172

4.7.5 龙芯系列处理器的结构与设计175

习题4175

第5章 存储器体系结构设计178

5.1 存储器概述178

5.1.1 存储器分类178

5.1.2 存储器的性能指标180

5.1.3 存储器的层次体系结构181

5.2 Cache存储器181

5.2.1 Cache的基本结构181

5.2.2 Cache-主存地址映射183

5.2.3 Cache替换策略186

5.3 随机存储器与只读存储器188

5.3.1 随机存储器188

5.3.2 只读存储器ROM192

5.3.3 并行存储器194

5.4 外部存储器和RAID198

5.4.1 磁表面存储器的原理198

5.4.2 磁盘存储器200

5.4.3 磁带存储器203

5.4.4 光盘存储器204

5.4.5 固态盘存储器206

5.4.6 RAID207

5.5 虚拟存储器技术208

5.5.1 程序运行的局部性原理208

5.5.2 请求分页式存储管理方式209

5.5.3 请求分段存储管理方式215

5.5.4 请求段页式虚拟存储器217

5.5.5 快表与慢表217

5.5.6 存储共享与保护218

5.6 网络存储与容灾备份219

5.6.1 网络存储技术架构219

5.6.2 备份与容灾220

习题5221

第6章 I/O系统设计223

6.1 输入输出（I/O）系统概述223

6.1.1 I/O系统需要解决的主要问题223

6.1.2 I/O接口的结构与功能224

6.1.3 I/O接口的类型225

6.1.4 输入输出设备的编址226

6.2 程序查询方式227

6.2.1 程序查询流程227

6.2.2 程序查询方式的接口电路228

6.3 中断输入输出方式229

6.3.1 中断的作用、产生和响应229

6.3.2 中断处理流程230

6.3.3 程序中断设备接口的组成和工作原理231

6.4 DMA输入输出方式233

6.4.1 DMA方式的特点与应用场合233

6.4.2 DMA控制器组成234

6.4.3 DMA的数据传送过程236

6.5 I/O通道和处理机238

6.5.1 通道概述238

6.5.2 通道的类型239

6.5.3 通道的组成结构240

6.5.4 通道工作过程241

6.5.5 I/O处理机242

6.6 总线结构242

6.6.1 总线的概念和结构形态242

6.6.2 总线规范与性能243

6.6.3 总线的组成与结构244

6.6.4 总线的设计与仲裁245

6.6.5 总线的定时和数据传送模式248

6.7 外部设备249

6.7.1 输入——键盘249

6.7.2 输入——鼠标、跟踪球和操作杆输入251

6.7.3 输入——图像输入设备（数码相机、摄像机和摄像头）251

6.7.4 输入——语音录入系统252

6.7.5 输入——光笔、手写板、绘图板253

6.7.6 输入——条形码与二维码253

6.7.7 输入——OCR技术和文字输入系统255

6.7.8 输出——显示技术256

6.7.9 输出——打印机、绘图仪260

6.7.10 输出——声音输出设备262

6.7.11 交互式输入／输出——触摸屏263

6.7.12 交互式输入／输出——虚拟现实VR264

6.7.13 交互式输入／输出——脑波读取和意念控制265

6.8 外设接口266

6.8.1 ISA/EISA266

6.8.2 PCI/PCI-E266

6.8.3 ATA（IDE）/PATA/SATA接口267

6.8.4 并行I/O标准接口SCSI和SAS267

6.8.5 光纤通道和InfiniBand268

6.8.6 PCMCIA268

6.8.7 DVI/HDMI268

6.8.8 串行通信接口和USB269

6.8.9 IEEE 1394/Firewire270

习题6271

第7章 并行处理与普适计算272

7.1 并行计算机系统结构272

7.1.1 指令级并行和机器并行272

7.1.2 并行计算机系统结构275

7.2 单处理机系统中的并行机制278

7.2.1 超线程和同时多线程SMT278

7.2.2 单芯片多核处理器CMP280

7.2.3 协处理器280

7.2.4 超标量与超流水线281

7.3 多处理机系统的组织结构283

7.3.1 系统拓扑结构283

7.3.2 多处理机系统中的存储器管理286

7.3.3 多处理机系统中的通信287

7.3.4 多处理机高速缓冲存储器一致性289

7.3.5 多处理机的同步295

7.3.6 多处理机实例298

7.4 多处理机操作系统和算法302

7.4.1 多处理机操作系统302

7.4.2 并行处理机算法303

7.5 从计算机到网络304

7.5.1 计算机网络304

7.5.2 物联网305

7.5.3 无线传感器网络306

7.5.4 网格计算306

7.5.5 云计算307

7.6 普适计算和移动计算308

7.6.1 普适计算308

7.6.2 分布式计算309

7.6.3 移动计算和超移动计算309

7.6.4 迅驰技术310

7.6.5 智能手机310

7.6.6 笔记本电脑／平板电脑311

7.6.7 PDA智能终端311

7.6.8 车载智能终端312

习题7312

第8章 生物计算机314

8.1 生物计算机概述314

8.1.1 生物计算机的特点314

8.1.2 生物计算机种类315

8.2 基因调控开关和生物芯片316

8.2.1 转换开关316

8.2.2 Riboswitch316

8.2.3 双稳态开关316

8.2.4 生物芯片317

8.3 神经（元）计算机318

8.3.1 神经（元）计算机的概述318

8.3.2 神经网络的结构与算法319

8.3.3 神经网络的学习方式320

8.4 DNA计算机323

8.4.1 DNA计算机概述323

8.4.2 DNA计算机的模型324

8.4.3 DNA计算机的体系结构325

8.5 细胞计算机326

8.5.1 细胞计算机概述326

8.5.2 细胞自动机的结构327

8.6 纳米机器人330

8.6.1 纳米机器人概述330

8.6.2 纳米机器人结构331

习题8334

第9章 光计算机335

9.1 光计算机概述335

9.2 光计算机基本原理336

9.2.1 数字光计算336

9.2.2 光学傅里叶变换337

9.2.3 光学计算机实现339

9.3 激光通信340

9.3.1 激光通信概述340

9.3.2 激光通信的基本架构341

9.3.3 光发射机342

9.3.4 光纤343

9.3.5 光接收机344

9.3.6 光放大器345

9.3.7 光纤通信系统的主要性能指标345

9.3.8 FDDI协议347

9.3.9 光纤传输的波动理论347

9.4 光量子计算机348

9.4.1 普朗克黑体辐射理论348

9.4.2 爱因斯坦光电效应方程349

9.4.3 康普顿散射350

9.4.4 光的波粒二象性351

9.4.5 光量子计算机的实现352

习题9353

第10章 量子计算机354

10.1 量子计算机概述354

10.2 量子态和量子编码非经典特性355

10.2.1 量子态的描述——波函数和量子态叠加原理355

10.2.2 量子态时间演化和计算操作356

10.2.3 量子纠缠现象356

10.2.4 量子非克隆定理357

10.3 量子位与量子逻辑门357

10.3.1 量子位357

10.3.2 量子逻辑门359

10.4 量子算法363

10.4.1 Shor算法363

10.4.2 Grover算法365

10.5 量子通信367

10.6 量子加密368

10.6.1 量子密钥分配368

10.6.2 无噪信道下的BB84协议368

10.6.3 有噪信道下的BB84协议369

10.7 量子计算机的物理实现370

10.7.1 光学量子计算机370

10.7.2 离子阱量子计算机371

10.7.3 中性原子量子计算机371

10.7.4 超导量子计算机372

10.7.5 腔量子电动力学量子计算机372

10.7.6 量子点体系的量子计算机373

习题10373

主要参考文献374