計算機組成與體系結(jié)構(gòu)（原書第4版）

出版者的話
譯者序
前言
第1章　緒論1
　1.1　引言1
　1.2　計算機的主要部件2
　1.3　一個實例系統(tǒng)：吃力地讀專業(yè)詞匯3
　1.4　標(biāo)準(zhǔn)組織12
　1.5　發(fā)展歷史13
　　1.5.1　第零代：機械計算機（1642～1945年）13
　　1.5.2　第一代：電子管計算機（1945～1953年）15
　　1.5.3　第二代：晶體管計算機（1954～1965年）18
　　1.5.4　第三代：集成電路計算機（1965～1980年）20
　　1.5.5　第四代：超大規(guī)模集成電路計算機（1980～）20
　　1.5.6　摩爾定律22
　1.6　計算機層次結(jié)構(gòu)23
　1.7　云計算：計算即服務(wù)24
　1.8　馮·諾依曼模型26
　1.9　非馮·諾依曼模型28
　1.10　并行處理器和并行計算29
　1.11　并行性：機器智能的
推動者——深藍(lán)和沃森30
　本章小結(jié)32
　擴展閱讀32
　參考文獻(xiàn)33
　復(fù)習(xí)題34
　習(xí)題35
第2章　計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示37
　2.1　引言37
　2.2　按位計數(shù)系統(tǒng)37
　2.3　不同進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換38
　　2.3.1　無符號整數(shù)的轉(zhuǎn)換38
　　2.3.2　小數(shù)的轉(zhuǎn)換40
　　2.3.3　2的冪次作為基數(shù)的計數(shù)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換41
　2.4　有符號整數(shù)表示42
　　2.4.1　原碼42
　　2.4.2　補碼系統(tǒng)45
　　2.4.3　有符號數(shù)的移碼表示49
　　2.4.4　無符號數(shù)與有符號數(shù)50
　　2.4.5　計算機、算術(shù)和布斯算法50
　　2.4.6　進(jìn)位和溢出53
　　2.4.7　使用移位進(jìn)行二進(jìn)制乘法和除法54
　2.5　浮點數(shù)表示55
　　2.5.1　一個簡單的模型55
　　2.5.2　浮點運算57
　　2.5.3　浮點誤差58
　　2.5.4　IEEE-　754浮點標(biāo)準(zhǔn)59
　　2.5.5　表數(shù)范圍、精度和準(zhǔn)確度60
　　2.5.6　有關(guān)浮點數(shù)的其他問題61
　2.6　字符編碼62
　　2.6.1　二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制63
　　2.6.2　EBCDIC64
　　2.6.3　ASCII64
　　2.6.4　Unicode65
　2.7　錯誤檢測與糾錯67
　　2.7.1　循環(huán)冗余校驗67
　　2.7.2　漢明碼69
　　2.7.3　里德-所羅門糾錯碼74
　本章小結(jié)74
　擴展閱讀75
　參考文獻(xiàn)75
　復(fù)習(xí)題76
　習(xí)題76
　特別關(guān)注：數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)木幋a82
第3章　布爾代數(shù)與數(shù)字邏輯88
　3.1　引言88
　3.2　布爾代數(shù)89
　　3.2.1　布爾表達(dá)式89
　　3.2.2　布爾代數(shù)的基本定律90
　　3.2.3　化簡布爾表達(dá)式91
　　3.2.4　求反92
　　3.2.5　表示布爾函數(shù)93
　3.3　邏輯門94
　　3.3.1　邏輯門符號94
　　3.3.2　通用邏輯門95
　　3.3.3　多輸入邏輯門96
　3.4　數(shù)字組件96
　　3.4.1　數(shù)字電路及其與布爾代數(shù)的關(guān)系96
　　3.4.2　集成電路97
　　3.4.3　匯總：從問題描述到電路99
　3.5　組合邏輯電路100
　　3.5.1　基本概念100
　　3.5.2　典型的組合邏輯電路示例100
　3.6　時序電路105
　　3.6.1　基本概念105
　　3.6.2　時鐘105
　　3.6.3　觸發(fā)器105
　　3.6.4　有限狀態(tài)機108
　　3.6.5　時序電路示例112
　　3.6.6　時序邏輯的應(yīng)用：卷積編碼和維特比檢測115
　3.7　電路設(shè)計119
　本章小結(jié)119
　擴展閱讀120
　參考文獻(xiàn)120
　復(fù)習(xí)題121
　習(xí)題122
　特別關(guān)注：卡諾圖128
第4章　一個簡單的計算機模型MARIE139
　4.1　引言139
　4.2　CPU基本知識和組織結(jié)構(gòu)139
　　4.2.1　寄存器139
　　4.2.2　ALU140
　　4.2.3　控制單元140
　4.3　總線140
　4.4　時鐘143
　4.5　輸入/輸出子系統(tǒng)144
　4.6　存儲器的組成和尋址方式145
　4.7　中斷148
　4.8　MARIE149
　　4.8.1　組織結(jié)構(gòu)149
　　4.8.2　寄存器和總線150
　　4.8.3　指令集架構(gòu)151
　　4.8.4　寄存器傳輸表示153
　4.9　指令的執(zhí)行過程155
　　4.9.1　取指-譯碼-執(zhí)行周期155
　　4.9.2　中斷和指令周期155
　　4.9.3　MARIE的I/O157
　4.10　一個簡單的程序157
　4.11　關(guān)于編譯程序的討論159
　　4.11.1　編譯程序的作用159
　　4.11.2　使用匯編語言的原因160
　4.12　指令集的擴展161
　4.13　關(guān)于譯碼的討論：硬連線和微程序控制166
　　4.13.1　機器控制166
　　4.13.2　硬連線控制169
　　4.13.3　微程序控制171
　4.14　實際的計算機體系結(jié)構(gòu)174
　　4.14.1　Intel體系結(jié)構(gòu)175
　　4.14.2　MIPS體系結(jié)構(gòu)179
　本章小結(jié)181
　擴展閱讀182
　參考文獻(xiàn)183
　復(fù)習(xí)題184
　習(xí)題185
第5章　仔細(xì)審視指令集架構(gòu)192
　5.1　引言192
　5.2　指令格式192
　　5.2.1　指令集設(shè)計決策192
　　5.2.2　小端和大端方式193
　　5.2.3　CPU內(nèi)部的存儲：堆棧和寄存器195
　　5.2.4　操作數(shù)個數(shù)和指令長度196
　　5.2.5　擴展操作碼199
　5.3　指令類型202
　　5.3.1　數(shù)據(jù)傳送202
　　5.3.2　算術(shù)運算202
　　5.3.3　布爾邏輯運算指令203
　　5.3.4　位操作指令203
　　5.3.5　輸入/輸出指令203
　　5.3.6　傳送控制指令204
　　5.3.7　專用指令204
　　5.3.8　正交指令集204
　5.4　尋址204
　　5.4.1　數(shù)據(jù)類型204
　　5.4.2　尋址方式205
　5.5　指令流水線207
　5.6　指令集架構(gòu)實例210
　　5.6.1　Intel211
　　5.6.2　MIPS211
　　5.6.3　Java虛擬機212
　　5.6.4　ARM215
　本章小結(jié)216
　擴展閱讀217
　參考文獻(xiàn)218
　復(fù)習(xí)題218
　習(xí)題219
第6章　存儲器224
　6.1　引言224
　6.2　存儲器類型224
　6.3　存儲器的層次結(jié)構(gòu)225
　6.4　高速緩存227
　　6.4.1　緩存映射策略229
　　6.4.2　替換策略240
　　6.4.3　有效訪問時間和命中率240
　　6.4.4　發(fā)生緩存失效的時間241
　　6.4.5　緩存寫策略241
　　6.4.6　指令和數(shù)據(jù)緩存243
　　6.4.7　緩存的級別244
　6.5　虛擬存儲器244
　　6.5.1　分頁245
　　6.5.2　使用分頁管理的有效訪問時間250
　　6.5.3　匯總：使用緩存、TLB和分頁技術(shù)252
　　6.5.4　分頁和虛擬存儲器的優(yōu)缺點253
　　6.5.5　分段253
　　6.5.6　分段和分頁的組合254
　6.6　存儲器管理實例254
　本章小結(jié)255
　擴展閱讀255
　參考文獻(xiàn)256
　復(fù)習(xí)題256
　習(xí)題257
第7章　輸入/輸出和存儲系統(tǒng)263
　7.1　引言263
　7.2　I/O及其性能263
　7.3　阿姆達(dá)爾定律263
　7.4　I/O體系結(jié)構(gòu)266
　　7.4.1　I/O控制方法267
　　7.4.2　字符I/O與塊I/O271
　　7.4.3　I/O總線操作272
　7.5　數(shù)據(jù)傳輸模式274
　　7.5.1　并行數(shù)據(jù)傳輸275
　　7.5.2　串行數(shù)據(jù)傳輸276
　7.6　磁盤技術(shù)277
　　7.6.1　硬盤驅(qū)動器278
　　7.6.2　固態(tài)硬盤280
　7.7　光盤282
　　7.7.1　CD-　ROM282
　　7.7.2　DVD285
　　7.7.3　藍(lán)光光盤286
　　7.7.4　光盤記錄方式286
　7.8　磁帶287
　7.9　RAID290
　　7.9.1　RAID-　0290
　　7.9.2　RAID-　1291
　　7.9.3　RAID-　2291
　　7.9.4　RAID-　3292
　　7.9.5　RAID-　4293
　　7.9.6　RAID-　5293
　　7.9.7　RAID-　6294
　　7.9.8　RAID DP295
　　7.9.9　混合RAID系統(tǒng)297
　7.10　數(shù)據(jù)存儲的未來298
　本章小結(jié)300
　擴展閱讀300
　參考文獻(xiàn)301
　復(fù)習(xí)題302
　習(xí)題303
　特別關(guān)注：數(shù)據(jù)壓縮308
第8章　系統(tǒng)軟件327　8.1
　引言327
　8.2　操作系統(tǒng)327
　　8.2.1　操作系統(tǒng)的歷史328
　　8.2.2　操作系統(tǒng)的設(shè)計332
　　8.2.3　操作系統(tǒng)的服務(wù)332
　8.3　保護環(huán)境335
　　8.3.1　虛擬機336
　　8.3.2　子系統(tǒng)和分區(qū)337
　　8.3.3　保護環(huán)境和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變339
　8.4　編程工具340
　　8.4.1　匯編程序和匯編340
　　8.4.2　鏈接器342
　　8.4.3　動態(tài)鏈接庫342
　　8.4.4　編譯器344
　　8.4.5　解釋器346
　8.5　Java：以上全部346
　8.6　數(shù)據(jù)庫軟件351
　8.7　事務(wù)管理器354
　本章小結(jié)356
　擴展閱讀356
　參考文獻(xiàn)357
　復(fù)習(xí)題357
　習(xí)題358
第9章　可供選擇的體系結(jié)構(gòu)360
　9.1　引言360
　9.2　RISC設(shè)備361
　9.3　Flynn分類法365
　9.4　并行和多處理器體系結(jié)構(gòu)367
　　9.4.1　超標(biāo)量和超長指令字368
　　9.4.2　向量處理器369
　　9.4.3　互連網(wǎng)絡(luò)370
　　9.4.4　共享存儲器的多處理器373
　　9.4.5　分布式計算375
　9.5　其他的并行處理方法377
　　9.5.1　數(shù)據(jù)流計算377
　　9.5.2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)379
　　9.5.3　脈動陣列381
　9.6　量子計算382
　本章小結(jié)384
　擴展閱讀385
　參考文獻(xiàn)385
　復(fù)習(xí)題387
　習(xí)題388
第10章　嵌入式系統(tǒng)專題390
　10.1　引言390
　10.2　嵌入式硬件概述391
　　10.2.1　標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)硬件391
　　10.2.2　可重構(gòu)硬件394
　　10.2.3　定制設(shè)計的嵌入式硬件398
　10.3　嵌入式軟件概述403
　　10.3.1　嵌入式系統(tǒng)的存儲器組織403
　　10.3.2　嵌入式操作系統(tǒng)404
　　10.3.3　嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)406
　本章小結(jié)407
　擴展閱讀408
　參考文獻(xiàn)409
　復(fù)習(xí)題410
　習(xí)題410
第11章　性能測量和分析412
　11.1　引言412
　11.2　計算機性能公式412
　11.3　數(shù)學(xué)準(zhǔn)備工作413
　　11.3.1　均值的含義413
　　11.3.2　統(tǒng)計學(xué)和語義417
　11.4　基準(zhǔn)測試418
　　11.4.1　時鐘頻率、MIPS和FLOPS419
　　11.4.2　綜合測試基準(zhǔn)：Whetstone、Linpack和Dhrystone420
　　11.4.3　SPEC基準(zhǔn)421
　　11.4.4　事務(wù)處理性能委員會基準(zhǔn)424
　　11.4.5　系統(tǒng)仿真428
　11.5　CPU性能優(yōu)化428
　　11.5.1　分支優(yōu)化429
　　11.5.2　使用好的算法和簡單代碼431
　11.6　磁盤性能433
　　11.6.1　理解問題433
　　11.6.2　物理因素434
　　11.6.3　邏輯因素434
　本章小結(jié)438
　擴展閱讀438
　參考文獻(xiàn)439
　復(fù)習(xí)題440
　習(xí)題440
第12章　網(wǎng)絡(luò)的組成和體系結(jié)構(gòu)444
　12.1　引言444
　12.2　早期的商用計算機網(wǎng)絡(luò)444
　12.3　早期的學(xué)術(shù)和科研網(wǎng)絡(luò)：因特網(wǎng)的根源和體系結(jié)構(gòu)444
　12.4　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議I：ISO/OSI統(tǒng)一協(xié)議447
　　12.4.1　一個小故事447
　　12.4.2　OSI參考模型448
　12.5　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議II：TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)451
　　12.5.1　IPv4452
　　12.5.2　IPv4的麻煩453
　　12.5.3　傳輸控制協(xié)議456
　　12.5.4　TCP的工作過程457
　　12.5.5　IPv6460
　12.6　網(wǎng)絡(luò)組成464
　　12.6.1　物理傳輸介質(zhì)465
　　12.6.2　接口卡469
　　12.6.3　中繼器469
　　12.6.4　集線器469
　　12.6.5　交換機470
　　12.6.6　網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)470
　　12.6.7　路由器和路由471
　12.7　因特網(wǎng)