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第1章 计算机系统概述1

1.1 计算工具的进步轨迹1

1.1.1 算盘和算筹的贡献——软件与硬件的起源1

1.1.2 提花机的启示与巴贝奇分析机——内程序计算机的发展轨迹4

1.1.3 帕斯卡加法器——第一台内动力计算机7

1.1.4 从八卦图到布尔代数——电子数字计算机的运算基础11

1.1.5 电子数字计算机体系的确立19

1.2 0、1编码23

1.2.1 数字系统中的信息单位与量级23

1.2.2 十进制数与二进制数的转换24

1.2.3 八进制、十六进制和二-十进制25

1.2.4 原码、反码、补码和移码26

1.2.5 浮点数与定点数30

1.2.6 声音的0、1编码31

1.2.7 图形图像的0、1编码32

1.2.8 文字的0、1编码35

1.2.9 指令的0、1编码与计算机程序设计语言38

1.2.10 数据传输中的差错检验40

1.3 电子数字计算机工作原理简述43

1.3.1 电子数字计算机的运算器43

1.3.2 计算机存储器46

1.3.3 计算机控制器工作原理简述49

1.3.4 总线52

1.3.5 计算机工作的时序控制52

1.4 计算机系统的主要性能指标55

1.4.1 机器字长55

1.4.2 存储容量55

1.4.3 运算速度55

1.4.4 可靠性、可用性和RASIS特性58

1.4.5 效能和环保性58

1.4.6 计算机硬件的其他性能指标58

1.5 操作系统与计算机系统结构59

1.5.1 用操作系统实现计算机的自我管理59

1.5.2 操作系统的功能60

1.5.3 计算机从裸机走向虚拟机61

1.5.4 现代计算机系统的模块结构62

1.5.5 现代计算机系统的层次结构62

1.6 计算机系统进展63

1.6.1 Nathan软件第一定律64

1.6.2 摩尔定律64

1.6.3 冯·诺依曼体系结构的局限64

1.6.4 基于冯·诺依曼体系的改进65

1.6.5 另辟蹊径——非冯·诺依曼体系结构70

习题72

第2章 存储系统75

2.1 主存储器基本原理75

2.1.1 ROM基本原理75

2.1.2 SRAM基本原理77

2.1.3 DRAM基本原理80

2.2 主存储器结构83

2.2.1 存储体的扩展方式83

2.2.2 Bank84

2.2.3 内存条及其基本组成86

2.2.4 并行存储器88

2.2.5 并行处理机的主存储器91

2.3 DRAM内部操作与性能参数92

2.3.1 SDRAM的主要引脚92

2.3.2 SDRAM的读写时序93

2.3.3 突发传输95

2.3.4 数据掩码96

2.3.5 DRAM的动态刷新97

2.3.6 芯片初始化与预充电100

2.3.7 存储器控制器102

2.3.8 RAM的一般性能参数102

2.3.9 DDR SDRAM与RDRAM105

2.4 磁盘存储器106

2.4.1 磁表面存储原理107

2.4.2 硬磁盘存储器的存储结构109

2.4.3 磁盘格式化110

2.4.4 硬磁盘存储器与主机的连接113

2.4.5 硬磁盘存储器的技术参数115

2.4.6 磁盘阵列RAID117

2.5 光盘存储器120

2.5.1 光盘的技术特点与类型120

2.5.2 可擦写型光盘读写原理121

2.5.3 光盘规格122

2.6 闪速存储器125

2.6.1 闪存原理125

2.6.2 固态硬盘126

2.7 存储体系128

2.7.1 多级存储体系的建立128

2.7.2 多级存储体系的性能参数130

2.7.3 cache—主存机制131

2.7.4 虚拟存储器136

2.8 未来存储元件139

2.8.1 磁随机存取存储器139

2.8.2 铁电随机存取存储器140

2.8.3 相变随机存取存储器141

2.8.4 阻变随机存取存储器141

习题142

第3章 输入输出系统146

3.1 I/O设备146

3.1.1 I/O设备及其发展146

3.1.2 键盘149

3.1.3 打印设备152

3.1.4 鼠标157

3.1.5 显示器158

3.1.6 触摸屏164

3.1.7 虚拟现实设备165

3.2 I/O接口167

3.2.1 影响I/O设备与计算机连接的主要因素168

3.2.2 缓冲169

3.2.3 I/O接口及其逻辑171

3.2.4 I/O端口172

3.2.5 可编程并行接口8255A173

3.2.6 可编程串行接口8251175

3.3 I/O过程的程序直接控制176

3.3.1 I/O过程的程序无条件传送控制方式176

3.3.2 I/O过程的程序查询控制方式177

3.4 I/O过程的程序中断控制178

3.4.1 程序中断控制的核心概念178

3.4.2 中断关键技术181

3.4.3 中断接口185

3.4.4 多重中断187

3.5 I/O数据传送的DMA控制187

3.5.1 DMA的基本概念187

3.5.2 DMA与CPU共享存储器冲突的解决方案188

3.5.3 DMA控制器190

3.5.4 DMA传送过程191

3.5.5 DMA与中断方式比较193

3.6 I/O过程的通道控制193

3.6.1 通道控制及其特点193

3.6.2 通道控制原理195

3.6.3 通道类型198

3.7 I/O管理199

3.7.1 设备驱动程序199

3.7.2 ROM BIOS200

3.7.3 I/O设备分配202

习题204

第4章 总线与主板207

4.1 总线的概念207

4.1.1 总线及其规范207

4.1.2 总线分类208

4.1.3 总线的性能指标210

4.1.4 标准总线212

4.2 总线工作原理212

4.2.1 总线的组成与基本传输过程212

4.2.2 总线的争用与仲裁213

4.2.3 总线通信中主从之间的时序控制216

4.3 几种标准系统总线分析220

4.3.1 ISA总线220

4.3.2 PCI总线222

4.3.3 AGP总线225

4.3.4 PCI-Express总线226

4.4 几种标准I/O总线分析228

4.4.1 ATA与SATA总线228

4.4.2 SCSI与SAS总线230

4.4.3 USB总线232

4.4.4 光纤通道总线236

4.5 微型计算机主板236

4.5.1 主板的概念236

4.5.2 主板的组成237

4.5.3 主板分类242

4.5.4 智慧型主板243

习题245

第5章 控制器逻辑247

5.1 处理器的外特性——指令系统247

5.1.1 指令与指令系统247

5.1.2 寻址方式250

5.1.3 Intel 8086指令简介255

5.1.4 RISC与CISC262

5.1.5 指令系统的设计内容266

5.2 组合逻辑控制器267

5.2.1 指令的微操作分析267

5.2.2 指令的时序控制与时序部件269

5.2.3 组合逻辑控制器设计举例271

5.3 微程序控制器274

5.3.1 概述274

5.3.2 微程序操作控制部件的组成274

5.3.3 微程序操作控制部件设计举例275

习题278

第6章 处理器架构281

6.1 流水线技术281

6.1.1 指令流水线281

6.1.2 运算流水线283

6.1.3 流水线中的相关冲突284

6.1.4 流水线中的多发射技术286

6.1.5 Pentium CPU288

6.1.6 流水线向量处理机291

6.2 多处理器系统295

6.2.1 多计算机系统与多处理器系统295

6.2.2 SMP架构296

6.2.3 多处理器操作系统299

6.3 多线程处理器300

6.3.1 多线程处理器架构的提出300

6.3.2 同时多线程技术302

6.3.3 超线程处理器303

6.4 多核处理器307

6.4.1 多核处理器及其特点307

6.4.2 多核＋多线程——CMT技术308

6.5 关于处理器并行性开发的讨论309

6.5.1 并行性及其级别309

6.5.2 基于并行性的处理器体系Flynn分类310

6.5.3 处理器并行性开发的思路和途径312

习题314

第7章 未来计算机展望316

7.1 数据流计算机316

7.1.1 从控制流驱动到数据流驱动316

7.1.2 数据流程图及其操作规则317

7.1.3 数据流计算机指令的组成与执行过程318

7.1.4 静态数据流计算机与动态数据流计算机318

7.2 归约机320

7.2.1 需求驱动320

7.2.2 FFP归约机结构321

7.2.3 FFP工作过程321

7.3 智能计算机322

7.3.1 智能计算机及其性能特点322

7.3.2 智能计算机的一般结构323

7.3.3 智能计算机的解题过程325

7.4 神经网络计算机325

7.4.1 神经元与神经网络325

7.4.2 人工神经网络327

7.4.3 神经网络计算机的实现技术329

7.5 基于非电子器件的计算机展望330

7.5.1 关于摩尔定律寿命的讨论330

7.5.2 纳米电子器件331

7.5.3 量子计算机333

7.5.4 光学计算机335

7.5.5 超导技术337

7.5.6 生物计算机338

7.5 习题340

附录A 国内外常用二进制逻辑元件图形符号对照图341

参考文献343