出版者的话
译者序
前言
第0章读者指南1
0.1本书概要1
0.2导读1
0.3为何要学习计算机组成和体系结构1
0.4因特网与Web资源2
0.4.1本书的Web站点2
0.4.2其他Web站点3
0.4.3USENET新闻组3
第一部分概论
第1章导论6
1.1计算机组成与体系结构6
1.2结构和功能7
1.2.1功能7
1.2.2结构8
1.3关键词和思考题9
第2章计算机的演变和性能10
2.1计算机简史10
2.1.1第一代：真空管10
2.1.2第二代：晶体管15
2.1.3第三代：集成电路16
2.1.4后续几代20
2.2性能设计22
2.2.1微处理器的速度23
2.2.2性能平衡23
2.2.3芯片组成和体系结构的改进25
2.3Intel x86体系结构的进展26
2.4嵌入式系统和ARM27
2.4.1嵌入式系统27
2.4.2ARM的进展29
2.5性能评价30
2.5.1时钟速度和每秒指令数30
2.5.2基准程序32
2.5.3阿姆达尔定律34
2.6推荐的读物和Web站点35
2.7关键词、思考题和习题36
第二部分计算机系统
第3章计算机功能和互连的顶层视图42
3.1计算机的部件42
3.2计算机的功能44
3.2.1指令的读取和执行44
3.2.2中断46
3.2.3I/O功能51
3.3互连结构51
3.4总线互连52
3.4.1总线结构52
3.4.2多总线层次结构54
3.4.3总线的设计要素55
3.5PCI58
3.5.1总线结构58
3.5.2PCI命令61
3.5.3数据传送62
3.5.4仲裁63
3.6推荐的读物和Web站点64
3.7关键词、思考题和习题64
附录3A时序图67
第4章cache存储器69
4.1计算机存储系统概述69
4.1.1存储系统的特性69
4.1.2存储器层次结构71
4.2cache存储器原理73
4.3cache的设计要素75
4.3.1cache地址75
4.3.2cache容量76
4.3.3映射功能77
4.3.4替换算法85
4.3.5写策略85
4.3.6行大小86
4.3.7cache数目86
4.4Pentium 4的cache组织88
4.5ARM的cache组织90
4.6推荐的读物91
4.7关键词、思考题和习题91
附录4A两级存储器的性能特点95
第5章内部存储器100
5.1半导体主存储器100
5.1.1组织100
5.1.2DRAM和SRAM100
5.1.3ROM类型102
5.1.4芯片逻辑103
5.1.5芯片封装104
5.1.6模块组织105
5.1.7多体交叉存储器106
5.2纠错107
5.3高级DRAM组织110
5.3.1同步DRAM111
5.3.2Rambus DRAM112
5.3.3DDR DRAM113
5.3.4cache DRAM114
5.4推荐的读物和Web站点114
5.5关键词、思考题和习题115
第6章外部存储器118
6.1磁盘118
6.1.1磁读写机制118
6.1.2数据组织和格式化119
6.1.3物理特性121
6.1.4磁盘性能参数122
6.2RAID124
6.2.1RAID 0级125
6.2.2RAID 1级128
6.2.3RAID 2级128
6.2.4RAID 3级128
6.2.5RAID 4级129
6.2.6RAID 5级130
6.2.7RAID 6级130
6.3光存储器131
6.3.1光盘131
6.3.2数字多功能光盘133
6.3.3高清晰光盘134
6.4磁带135
6.5推荐的读物和Web站点136
6.6关键词、思考题和习题137
第7章输入/输出140
7.1外部设备140
7.1.1键盘/监视器141
7.1.2磁盘驱动器142
7.2I/O模块142
7.2.1模块功能142
7.2.2I/O模块结构143
7.3编程式I/O143
7.3.1编程式I/O概述144
7.3.2I/O命令144
7.3.3I/O指令144
7.4中断驱动式I/O146
7.4.1中断处理146
7.4.2设计问题148
7.4.3Intel 82C59A中断控制器149
7.4.4Intel 82C55A可编程外部接口150
7.5直接存储器存取151
7.5.1编程式I/O和中断驱动式I/O的缺点151
7.5.2DMA功能151
7.5.3Intel 8237A DMA控制器153
7.6I/O通道和处理器155
7.6.1I/O功能的演变155
7.6.2I/O通道的特点155
7.7外部接口：FireWire和InfiniBand156
7.7.1接口类型156
7.7.2点对点和多点配置156
7.7.3FireWire串行总线157
7.7.4InfiniBand159
7.8推荐的读物和Web站点162
7.9关键词、思考题和习题162
第8章操作系统支持166
8.1操作系统概述166
8.1.1操作系统的目标与功能166
8.1.2操作系统的类型168
8.2调度173
8.2.1长期调度173
8.2.2中期调度173
8.2.3短期调度173
8.3存储器管理176
8.3.1交换177
8.3.2分区177
8.3.3分页179
8.3.4虚拟存储器180
8.3.5快表182
8.3.6分段183
8.4Pentium存储器管理184
8.4.1地址空间184
8.4.2分段184
8.4.3分页186
8.5ARM存储器管理187
8.5.1存储器系统组织187
8.5.2虚拟存储器地址转换187
8.5.3存储器管理格式189
8.5.4存取控制190
8.6推荐的读物和Web站点191
8.7关键词、思考题和习题191
第三部分中央处理器
第9章计算机算术196
9.1算术逻辑单元196
9.2整数表示196
9.2.1符号-幅值表示法197
9.2.22的补码表示法197
9.2.3不同位长间的转换199
9.2.4定点表示法200
9.3整数算术200
9.3.1取负200
9.3.2加法和减法201
9.3.3乘法203
9.3.4除法207
9.4浮点表示208
9.4.1原理208
9.4.2二进制浮点表示的IEEE标准211
9.5浮点算术212
9.5.1浮点加法和减法213
9.5.2浮点乘法和除法214
9.5.3精度考虑215
9.5.4二进制浮点算术的IEEE标准216
9.6推荐的读物和Web站点218
9.7关键词、思考题和习题219
第10章指令集：特征和功能222
10.1机器指令特征222
10.1.1机器指令要素222
10.1.2指令表示223
10.1.3指令类型224
10.1.4地址数目225
10.1.5指令集设计226
10.2操作数类型226
10.2.1数值227
10.2.2字符227
10.2.3逻辑数据228
10.3Intel x86和ARM数据类型228
10.3.1x86数据类型228
10.3.2ARM数据类型229
10.4操作类型230
10.4.1数据传送232
10.4.2算术运算233
10.4.3逻辑运算233
10.4.4转换234
10.4.5输入/输出235
10.4.6系统控制235
10.4.7控制转移235
10.5Intel x86和ARM操作类型238
10.5.1x86操作类型238
10.5.2ARM操作类型244
10.6推荐的读物246
10.7关键词、思考题和习题246
附录10A栈250
附录10B小端、大端和双端253
第11章指令集：寻址方式和指令格式256
11.1寻址方式256
11.1.1立即寻址257
11.1.2直接寻址257
11.1.3间接寻址257
11.1.4寄存器寻址258
11.1.5寄存器间接寻址258
11.1.6偏移寻址258
11.1.7栈寻址260
11.2x86和ARM寻址方式260
11.2.1x86寻址方式260
11.2.2ARM寻址方式262
11.3指令格式264
11.3.1指令长度264
11.3.2位的分配265
11.3.3变长指令267
11.4x86和ARM指令格式269
11.4.1x86指令格式269
11.4.2ARM指令格式271
11.5汇编语言272
11.6推荐的读物274
11.7关键词、思考题和习题274
第12章CPU结构和功能277
12.1CPU组成277
12.2寄存器组成278
12.2.1用户可见寄存器278
12.2.2控制和状态寄存器280
12.2.3微处理器寄存器组成的例子281
12.3指令周期282
12.3.1间接周期282
12.3.2数据流283
12.4指令流水线技术283
12.4.1流水线策略284
12.4.2流水线性能286
12.4.3流水线冒险288
12.4.4处理分支指令289
12.4.5Intel 80486的流水线292
12.5x86系列处理器293
12.5.1寄存器组成294
12.5.2中断处理298
12.6ARM处理器299
12.6.1处理器组成300
12.6.2处理器模式301
12.6.3寄存器组成301
12.6.4中断处理303
12.7推荐的读物304
12.8关键词、思考题和习题304
第13章精简指令集计算机308
13.1指令执行特征309
13.1.1操作309
13.1.2操作数310
13.1.3过程调用311
13.1.4推论311
13.2大寄存器组方案的使用311
13.2.1寄存器窗口312
13.2.2全局变量313
13.2.3大寄存器组与高速缓存的对比313
13.3基于编译器的寄存器优化314
13.4精简指令集体系结构315
13.4.1采用CISC的理由315
13.4.2精简指令集体系结构特征317
13.4.3CISC与RISC特征对比318
13.5RISC流水线技术319
13.5.1使用规整指令的流水线技术319
13.5.2流水线的优化320
13.6MIPS R4000322
13.6.1指令集322
13.6.2指令流水线324
13.7SPARC327
13.7.1SPARC寄存器组327
13.7.2指令集328
13.7.3指令格式329
13.8RISC与CISC的争论330
13.9推荐的读物331
13.10关键词、思考题和习题331
第14章指令级并行性和超标量处理器335
14.1概述335
14.1.1超标量与超级流水线的对比336
14.1.2限制337
14.2设计考虑338
14.2.1指令级并行性和机器并行性338
14.2.2指令发射策略339
14.2.3寄存器重命名341
14.2.4机器并行性342
14.2.5分支预测342
14.2.6超标量执行343
14.2.7超标量实现343
14.3Pentium 4343
14.3.1前端347
14.3.2乱序执行逻辑348
14.3.3整数和浮点执行单元349
14.4ARM CORTEXA8349
14.4.1指令取指单元349
14.4.2指令译码单元351
14.4.3整数执行单元353
14.4.4SIMD和浮点流水线354
14.5推荐的读物355
14.6关键词、思考题和习题356
第四部分控制器
第15章控制器操作362
15.1微操作362
15.1.1取指周期363
15.1.2间接周期364
15.1.3中断周期365
15.1.4执行周期365
15.1.5指令周期366
15.2处理器控制367
15.2.1功能需求367
15.2.2控制信号367
15.2.3控制信号举例368
15.2.4处理器内部的组织369
15.2.5Intel 8085370
15.3硬布线实现373
15.3.1控制器输入373
15.3.2控制器逻辑374
15.4推荐的读物374
15.5关键词、思考题和习题375
第16章微程序控制376
16.1基本概念376
16.1.1微指令376
16.1.2微程序控制器378
16.1.3Wilkes控制379
16.1.4优缺点382
16.2微指令定序382
16.2.1设计考虑382
16.2.2定序技术382
16.2.3地址生成384
16.2.4LSI11微指令定序384
16.3微指令执行385
16.3.1微指令的分类法385
16.3.2微指令编码387
16.3.3LSI11微指令执行388
16.3.4IBM 3033微指令执行390
16.4TI 8800391
16.4.1微指令格式391
16.4.2微定序器393
16.4.3寄存器式ALU395
16.5推荐的读物397
16.6关键词、思考题和习题397
第五部分并 行 组 织
第17章并行处理400
17.1多处理器组织401
17.1.1并行处理器系统的类型401
17.1.2并行组织402
17.2对称多处理器402
17.2.1组织403
17.2.2多处理器操作系统设计考虑405
17.2.3大型机SMP405
17.3cache一致性和MESI协议407
17.3.1软件解决方案408
17.3.2硬件解决方案408
17.3.3MESI协议409
17.4多线程和片上多处理器411
17.4.1隐式和显式多线程412
17.4.2显式多线程的方式413
17.4.3示例系统415
17.5集群416
17.5.1集群配置417
17.5.2操作系统设计问题418
17.5.3集群计算机体系结构419
17.5.4刀片服务器420
17.5.5集群与SMP的对比421
17.6非均匀存储器访问421
17.6.1动机421
17.6.2组织422
17.6.3NUMA的优缺点423
17.7向量计算424
17.7.1向量计算的方法424
17.7.2IBM 3090向量机制427
17.8推荐的读物和Web站点432
17.9关键词、思考题和习题433
第18章多核计算机437
18.1硬件性能问题437
18.1.1增加并行437
18.1.2功耗439
18.2软件性能问题440
18.2.1多核软件440
18.2.2应用实例：Valve游戏软件441
18.3多核组织结构442
18.4Intel x86多核结构443
18.4.1Intel Core Duo443
18.4.2Intel Core i7445
18.5ARM11 MPCore445
18.5.1中断处理446
18.5.2cache一致性448
18.6推荐的读物和Web站点448
18.7关键词、思考题和习题449
附录A计算机组成与体系结构的教学课题451
附录B汇编语言及相关主题455
术语表473
参考文献480