《计算机组成与系统结构(第3版)》主要介绍计算机组成与系统结构涉及的相关概念、理论和技术,主要内容包括指令集体系结构、数据的表示和存储,以及实现指令集体系结构的计算机各部件的内部工作原理、组成结构及其相互连接。本书共分9章: 第1章对计算机系统及其性能评价进行概述性介绍;第2~3章主要介绍数据的机器级表示和运算,以及运算部件的结构与设计;第4~6章介绍指令系统、各种CPU设计技术及指令流水线;第7章主要介绍包含主存、外存、cache和虚拟存储器在内的存储器层次结构;第8章介绍总线互连及输入输出系统;第9章介绍并行处理计算系统的基本硬件结构和并行程序设计编程模型。 本书内容详尽,反映现实,概念清楚,通俗易懂,实例丰富,并提供大量典型习题供读者练习。本书可以作为高等学校计算机专业本科生“计算机组成原理”“计算机组成原理与系统结构”“计算机系统结构”课程的教材,也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书。

第1章计算机系统概述1 1.1计算机的发展历程1 1.1.1通用电子计算机的诞生1 1.1.2元器件的更新与体系结构的发展2 1.2计算机系统的基本组成3 1.2.1计算机硬件的基本组成4 1.2.2计算机软件7 1.3计算机系统层次结构7 1.3.1计算机系统抽象层的转换8 1.3.2计算机系统的不同用户9 1.4程序开发与执行过程11 1.4.1从源程序到可执行程序11 1.4.2可执行文件的启动和执行12 1.4.3程序与指令及控制信号的关系13 1.4.4指令的执行过程14 1.5计算机系统性能评价16 1.5.1计算机性能的定义16 1.5.2用指令执行速度进行性能评估18 1.5.3用基准程序进行性能评估18 1.5.4Amdahl定律19 1.6本章小结20 习题20 第2章数据的机器级表示23 2.1数制和编码23 2.1.1信息的二进制编码23 2.1.2进位记数制24 2.1.3定点和浮点表示27 2.1.4定点数的编码27 2.2整数的表示32 2.2.1无符号整数的表示32 2.2.2带符号整数的表示32 2.2.3C语言中的整数类型33 2.3实数的表示34 2.3.1浮点数的表示格式34 2.3.2浮点数的规格化36 2.3.3IEEE 754浮点数标准36 2.3.4C语言中的浮点数类型39 2.4非数值数据的编码表示40 2.4.1逻辑值41 2.4.2西文字符41 2.4.3汉字字符42 2.5数据的宽度和存储44 2.5.1数据的宽度和单位44 2.5.2数据的存储和排列顺序46 2.6本章小结48 习题49 目录计算机组成与系统结构(第3版)第3章运算方法和运算部件52 3.1**语言和机器指令中的运算52 3.1.1C语言程序中涉及的运算52 3.1.2MIPS指令中涉及的运算54 3.2基本运算部件55 3.2.1全加器和加法器55 3.2.2并行进位加法器56 3.2.3带标志加法器58 3.2.4算术逻辑部件59 3.3定点数运算59 3.3.1补码加减运算60 3.3.2原码加减运算61 3.3.3原码乘法运算62 3.3.4补码乘法运算65 3.3.5快速乘法器67 3.3.6原码除法运算69 3.3.7补码除法运算74 3.4整数乘除运算76 3.4.1乘除运算溢出判断76 3.4.2常量的乘除运算78 3.5浮点数运算80 3.5.1浮点数加减运算80 3.5.2浮点运算的精度和舍入83 3.5.3浮点数乘/除运算85 3.6本章小结87 习题88 第4章指令系统91 4.1指令格式设计91 4.1.1指令地址码的个数91 4.1.2指令格式设计原则92 4.2指令系统设计92 4.2.1基本设计问题92 4.2.2操作数类型93 4.2.3寻址方式94 4.2.4操作类型96 4.2.5操作码编码97 4.2.6标志信息的生成与使用98 4.2.7指令系统设计风格99 4.2.8异常和中断处理机制101 4.3程序的机器级表示102 4.3.1MIPS汇编语言和机器语言103 4.3.2选择结构的机器代码表示107 4.3.3循环结构的机器代码表示108 4.3.4过程调用的机器代码表示109 4.4指令系统实例: RISCV架构115 4.4.1RISCV指令系统概述115 4.4.2RISCV指令参考卡116 4.4.3基础整数指令集119 4.5本章小结124 习题124 第5章**处理器129 5.1CPU概述129 5.1.1CPU的基本功能129 5.1.2CPU的基本组成130 5.1.3数据通路与时序控制132 5.2单周期处理器设计133 5.2.1指令功能的描述134 5.2.2数据通路的设计135 5.2.3控制器的设计143 5.2.4时钟周期的确定149 5.3多周期处理器设计150 5.3.1多周期处理器设计思想150 5.3.2多周期数据通路设计151 5.3.3硬连线控制器设计154 5.3.4微程序控制器设计156 5.4带异常处理的处理器设计158 5.4.1CPU对异常和中断的处理158 5.4.2带异常处理的数据通路设计160 5.4.3带异常处理的有限状态机161 5.5本章小结162 习题162 第6章指令流水线165 6.1流水线概述165 6.1.1流水线的执行效率165 6.1.2适合流水线的指令集特征166 6.2流水线处理器的实现167 6.2.1每条指令的流水段分析167 6.2.2流水线数据通路的设计168 6.2.3流水线控制器的设计173 6.3流水线冒险及其处理174 6.3.1结构冒险174 6.3.2数据冒险176 6.3.3控制冒险182 6.4**流水线技术191 6.4.1静态多发射处理器191 6.4.2动态多发射处理器195 6.4.3Pentium 4处理器的流水线结构199 6.5本章小结202 习题203 第7章存储器层次结构206 7.1存储器概述206 7.1.1存储器的分类206 7.1.2主存储器的组成和基本操作207 7.1.3存储器的层次化结构208 7.2半导体随机存取存储器209 7.2.1基本存储元件209 7.2.2SRAM芯片和DRAM芯片210 7.2.3SDRAM芯片技术213 7.2.4内存条和内存条插槽214 7.2.5存储器芯片的扩展215 7.2.6多模块存储器217 7.3外部辅助存储器218 7.3.1磁盘存储器的结构219 7.3.2磁盘存储器的性能指标220 7.3.3磁盘存储器的连接222 7.3.4冗余磁盘阵列222 7.3.5Flash存储器和U盘223 7.3.6固态硬盘225 7.4存储器的数据校验225 7.4.1数据校验基本原理225 7.4.2奇偶校验码226 7.4.3海明校验码227 7.4.4循环冗余校验码231 7.5高速缓冲存储器233 7.5.1程序访问的局部性233 7.5.2cache的基本工作原理235 7.5.3cache行和主存块之间的映射方式237 7.5.4cache中主存块的替换算法244 7.5.5cache的一致性问题247 7.5.6cache缺失对总体性能的影响248 7.5.7cache设计应考虑的问题249 7.5.8cache结构举例251 7.6虚拟存储器252 7.6.1虚拟存储器的基本概念252 7.6.2进程的虚拟地址空间253 7.6.3虚拟存储器的实现255 7.6.4存储保护263 7.7本章小结267 习题267 第8章系统互连及输入输出组织273 8.1外部设备的分类与特点273 8.1.1外设的分类273 8.1.2外设的特点274 8.2常用输入输出设备274 8.2.1键盘274 8.2.2打印机275 8.2.3显示器277 8.3外设与CPU和主存的互连278 8.3.1总线的基本概念278 8.3.2基于总线的互连结构280 8.3.3I/O接口的功能283 8.3.4I/O接口的通用结构285 8.3.5I/O端口及其编址286 8.4I/O数据传送控制方式288 8.4.1程序直接控制I/O方式288 8.4.2中断控制I/O方式291 8.4.3DMA方式301 8.5内核空间I/O软件304 8.5.1I/O子系统概述304 8.5.2与设备无关的I/O软件306 8.5.3设备驱动程序308 8.5.4中断服务程序309 8.6本章小结309 习题310 第9章并行处理系统313 9.1并行处理系统概述313 9.1.1并行处理的主要技术问题313 9.1.2并行处理系统的分类315 9.2多处理器系统317 9.2.1UMA多处理器结构318 9.2.2NUMA多处理器结构320 9.2.3多处理器系统中的互连网络322 9.2.4多核处理器和硬件多线程技术323 9.2.5共享存储器的同步控制325 9.3多计算机系统329 9.3.1集群多计算机系统330 9.3.2网格多计算机系统333 9.4向量处理机和SIMD技术333 9.4.1向量计算机334 9.4.2Intel架构中的SIMD技术335 9.4.3GPU架构338 9.5并行处理编程模式简介340 9.6本章小结343 参考文献345