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目录出版者的话专家指导委员会译者序作者简介前言第1章 计算机的基本结构1

1.1 计算机的类型1

1.2 功能部件2

1.2.1 输入设备3

1.2.2 存储器3

1.2.3 运算器4

1.2.4 输出设备4

1.2.5 控制器4

1.3 基本操作概念5

1.4 总线结构6

1.5 软件7

1.6 性能9

1.6.1 处理器时钟10

1.6.2 基本性能公式10

1.6.3 流水线和超标量操作10

1.6.4 时钟频率11

1.6.5 指令集：CISC和RISC11

1.6.6 编译器12

1.6.7 性能测量12

1.7 多处理器和多计算机13

1.8 发展历程13

1.8.1 第一代计算机13

1.8.6 性能的发展14

1.8.5 后第四代计算机14

1.8.3 第三代计算机14

1.8.2 第二代计算机14

1.8.4 第四代计算机14

1.9 结束语15

习题15

参考文献16

第2章 机器指令和程序17

2.1 数、算术运算以及字符18

2.1.1 数的表示18

2.1.2 正数的加法19

2.1.3 有符号数的加法和减法19

2.1.4 整数算术运算中的溢出21

2.2 内存单元和寻址22

2.1.5 字符22

2.2.1 按字节寻址能力23

2.2.2 big-endian和little-endian分配23

2.2.3 字的对齐24

2.2.4 访问数、字符和字符串24

2.3 存储器操作24

2.4 指令和指令序列25

2.4.1 寄存器传送标记25

2.4.2 汇编语言符号25

2.4.3 基本指令类型26

2.4.4 指令执行和线性序列29

2.4.5 转移30

2.4.6 条件码31

2.4.7 生成存储器地址32

2.5 寻址方式32

2.5.1 变量和常数的实现33

2.5.2 间接和指针34

2.5.3 变址和数组36

2.5.4 相对寻址38

2.5.5 附加方式39

2.6 汇编语言40

2.6.1 汇编指示41

2.6.2 程序的汇编和执行43

2.7 基本输入／输出操作44

2.6.3 数的表示44

2.8 堆栈和队列47

2.9 子程序50

2.9.1 子程序嵌套及处理器堆栈51

2.9.2 参数传递51

2.9.3 堆栈的结构52

2.10 附加的指令56

2.10.1 逻辑指令56

2.10.2 移位和循环移位指令57

2.10.3 乘法和除法60

2.11 实例程序60

2.11.1 向量点积程序60

2.11.2 字节排序程序61

2.11.3 链表62

2.12 机器指令的编码66

2.13 结束语69

习题69

第3章 ARM、Motorola与Intel指令集73

部分Ⅰ ARM实例73

3.1 寄存器、内存访问及数据传递73

3.1.1 寄存器结构74

3.1.2 内存访问指令和寻址方式74

3.2 算术和逻辑指令80

3.2.1 算术指令80

3.1.3 寄存器传送指令80

3.2.2 逻辑指令81

3.3 转移指令82

3.3.1 设置条件码83

3.3.2 用于数值相加的循环程序83

3.4 汇编语言84

3.5 I／O操作85

3.6 子程序86

3.7 实例程序89

3.7.1 向量点积程序89

3.7.2 字节排序程序90

3.7.3 链表的插入和删除子程序91

3.8.2 寻址方式93

3.8.1 68000寄存器结构93

3.8 寄存器与寻址方式93

部分Ⅱ 68000实例93

3.9 指令97

3.10 汇编语言99

3.11 程序流控制100

3.11.1 条件码标志100

3.11.2 转移指令100

3.12 I／O操作102

3.13 堆栈和子程序103

3.14 逻辑指令107

3.15.2 字节排序程序108

3.15.1 向量点积程序108

3.15 实例程序108

3.15.3 链表的插入和删除子程序109

部分Ⅲ IA-32 Pentium实例109

3.16 寄存器和寻址方式110

3.16.1 IA-32寄存器结构111

3.16.2 IA-32寻址方式113

3.17 IA-32指令116

3.18 IA-32汇编语言121

3.19 程序流控制122

3.19.1 条件跳转及条件码标志122

3.20.2 移位与循环移位操作123

3.20.1 逻辑操作123

3.20 逻辑和移位／循环移位指令123

3.19.2 无条件跳转123

3.21 I／O操作124

3.21.1 存储器映射I／O124

3.21.2 独立I／O124

3.21.3 块传送125

3.22 子程序126

3.23 其他指令127

3.23.1 乘法与除法指令128

3.23.2 多媒体扩展（MMX）指令130

3.24.2 字节排序程序131

3.24.1 向量点积程序131

3.24 实例程序131

3.23.3 向量（SIMD）指令131

3.24.3 链表的插入与删除子程序132

3.25 结束语133

习题134

参考文献143

第4章 输入输出组织结构145

4.1 访问I／O设备145

4.2 中断148

4.2.1 中断的硬件149

4.2.2 中断的允许和禁止150

4.2.3 处理多台设备151

4.2.4 控制设备请求154

4.2.5 异常155

4.2.6 在操作系统中使用的中断156

4.3 处理器举例159

4.3.1 ARM中断结构159

4.3.2 68000中断结构163

4.3.3 Pentium的中断结构164

4.4 直接存储器访问166

4.5 总线170

4.5.1 同步总线171

4.5.2 异步总线173

4.5.3 讨论175

4.6.1 并行端口176

4.6 接口电路176

4.6.2 串行端口182

4.7 标准I／O接口184

4.7.1 外围部件互连（PCI）总线185

4.7.2 SCSI总线189

4.7.3 通用串行总线（USB）193

4.8 结束语200

习题200

参考文献205

第5章 存储器系统207

5.1 基本概念207

5.2 半导体随机存储器209

5.2.1 存储器芯片的内部组织结构210

5.2.2 静态存储器211

5.2.3 异步动态随机存储器212

5.2.4 同步动态随机存储器214

5.2.5 大容量存储器的结构216

5.2.6 存储器系统因素217

5.2.7 Rambus存储器218

5.3 只读存储器219

5.3.1 ROM220

5.3.2 PROM220

5.3.3 EPROM220

5.3.4 EEPROM221

5.3.5 闪存221

5.4 速度、容量和成本222

5.5 高速缓存223

5.5.1 映射功能224

5.5.2 替换算法227

5.5.3 映射技术的例子228

5.5.4 商用处理器中高速缓存的例子230

5.6 性能因素233

5.6.1 交叉233

5.6.2 命中率和失效开销235

5.6.3 处理器芯片上的高速缓存237

5.6.4 其他改进237

5.7 虚拟存储器239

5.8 存储器管理需求242

5.9.1 磁性硬盘243

5.9 辅助存储器243

5.9.2 光盘249

5.9.3 磁带系统253

5.10 结束语254

习题255

参考文献259

第6章 算术运算261

6.1 有符号数加减法261

6.2 快速加法器设计264

6.3 正数乘法267

6.4 有符号操作数乘法270

6.5.1 乘数位偶重编码272

6.5 快速乘法272

6.5.2 求和项的进位保留加法273

6.6 整数除法276

6.7 浮点数及其操作278

6.7.1 浮点数的IEEE标准279

6.7.2 浮点数算术运算281

6.7.3 保护位与截取282

6.7.4 浮点操作的实现283

6.8 结束语285

习题285

参考文献290

7.1 一些基本概念291

第7章 基本处理部件291

7.1.1 寄存器传送293

7.1.2 执行算术或逻辑操作294

7.1.3 从存储器中取出一个字295

7.1.4 向存储器中存储一个字296

7.2 一条完整指令的执行297

7.3 多总线结构298

7.4 硬件控制300

7.5 微程序控制302

7.5.1 微指令304

7.5.2 微程序的顺序306

7.5.3 宽转移寻址方式307

7.5.4 带有下一地址字段的微指令309

7.5.5 预取微指令311

7.5.6 仿真313

7.6 结束语313

习题314

第8章 流水线319

8.1 基本概念319

8.1.1 高速缓存的作用321

8.1.2 流水线性能322

8.2 数据阻塞324

8.2.1 操作数传递325

8.2.2 用软件方法处理数据阻塞326

8.3.1 无条件转移327

8.3 指令阻塞327

8.2.3 副作用327

8.3.2 条件转移和转移预测330

8.4 对指令集的影响334

8.4.1 寻址方式334

8.4.2 条件码336

8.5 数据通路和控制336

8.6 超标量操作338

8.6.1 无序执行339

8.6.2 执行完成340

8.6.3 调度操作341

8.7.1 SPARC体系结构342

8.7 UltraSPARCⅡ实例342

8.7.2 UltraSPARCⅡ346

8.7.3 流水线结构346

8.8 性能考虑353

8.8.1 指令阻塞的影响354

8.8.2 流水线的段数355

8.9 结束语355

习题356

参考文献358

第9章 嵌入式系统359

9.1 嵌入式系统的实例359

9.1.1 微波炉360

9.1.2 数码照相机361

9.1.3 家用遥测技术362

9.2 嵌入式应用中的处理器芯片363

9.3 一个简单的微控制器364

9.3.1 并行I／O端口364

9.3.2 串行I／O接口366

9.3.3 计数器／定时器367

9.3.4 中断控制机制368

9.4 程序设计问题369

9.4.1 轮询方法369

9.4.2 中断方法372

9.5 I／O设备的时序限制373

9.6 反应计时器实例374

9.5.2 通过环形缓冲区做传送的汇编语言程序374

9.5.1 通过环形缓冲区做传送的C程序374

9.6.1 用于反应计时器的C程序377

9.6.2 用于反应计时器的汇编语言程序379

9.6.3 最后评价380

9.7 嵌入式处理器系列380

9.7.1 基于Intel 8051的微控制器381

9.7.2 Motorola微控制器381

9.7.3 ARM微控制器382

9.8 设计问题382

9.9 片上系统384

9.10 结束语386

习题387

参考文献389

第10章 计算机外围设备391

10.1 输入设备391

10.1.1 键盘392

10.1.2 鼠标392

10.1.3 跟踪球、操作杆和触摸垫392

10.1.4 扫描仪394

10.2 输出设备394

10.2.1 视频显示器394

10.2.2 平面显示器395

10.2.3 打印机396

10.2.4 图形加速卡396

10.3 串行通信连接398

10.3.1 异步传输400

10.3.2 同步传输401

10.3.3 标准通信接口404

10.4 结束语405

习题405

第11章 处理器系列409

11.1 ARM系列410

11.1.1 Thumb指令集410

11.1.2 处理器和CPU内核411

11.2 Motorola 680XO和ColdFire系列412

11.2.1 68020处理器412

11.2.4 ColdFire系列414

11.2.3 68060处理器414

11.2.2 68030和68040处理器的改进414

11.3 IntelIA-32系列415

11.3.1 IA-32存储器分段415

11.3.2 16位模式416

11.3.3 80386和80486处理器417

11.3.4 Pentium处理器417

11.3.5 Pentium Pro处理器417

11.3.6 Pentium Ⅱ和Pentium Ⅲ处理器418

11.3.7 Pentium 4处理器418

11.4.1 寄存器集419

11.4.3 指令419

11.4.2 存储器寻址方式419

11.4 PowerPC系列419

11.3.8 AMD公司的IA-32处理器419

11.4.4 PowerPC处理器420

11.5 Sun公司SPARC系列421

11.6 康柏ALPHA系列422

11.6.1 指令和寻址方式的格式422

11.6.2 ALPHA 21064处理器423

11.6.3 ALPHA 21164处理器423

11.6.4 ALPHA 21264处理器423

11.7 Intel IA-64系列424

11.7.1 指令包424

11.7.2 条件执行424

11.7.4 寄存器和寄存器堆栈425

11.7.3 推测性装入425

11.7.5 Itanium处理器427

11.8 堆栈处理器427

11.8.1 堆栈结构428

11.8.2 堆栈指令430

11.8.3 堆栈中的硬件寄存器433

11.9 结束语433

习题434

参考文献435

第12章 大型计算机系统437

12.1 并行处理的形式438

12.2 阵列处理器439

12.3 通用多处理器结构440

12.4 互连网络441

12.4.1 信号总线442

12.4.2 纵横（Crossbar）网络443

12.4.3 多段网络444

12.4.4 超立方体网络445

12.4.5 网状网络446

12.4.6 树状网络446

12.4.7 环状网络447

12.4.8 实用性因素448

12.4.9 混合拓扑网络450

12.4.10 对称式多处理器450

12.5 多处理器的存储器组织结构451

12.6 程序并行性与共享变量452

12.6.1 共享变量访问452

12.6.2 高速缓存一致性454

12.6.3 加锁和高速缓存一致性456

12.7 多计算机456

12.7.1 局域网457

12.7.2 以太网（CSMA／CD）总线457

12.7.3 令牌环458

12.7.4 工作站网络458

12.8 共享存储器和消息传递实例458

12.8.1 共享存储器实例459

12.8.2 消息传递实例461

12.9 性能因素462

12.9.1 Amdahl定律463

12.9.2 性能指标464

12.10 结束语464

习题465

参考文献467

附录A 逻辑电路469

附录B ARM指令集519

附录C Motorola 68000指令集533

附录D Intel IA-32指令集549

附录E 字符编码与数的转换565

索引569