计算机体系结构设计

第1章 绪论 1

1.1 计算机体系结构的基本概念 1

1.2 计算机的发展简史 2

1.2.1 机械式计算机的发展 2

1.2.2 电子计算机硬件结构的发展 3

1.2.3 微处理器的发展 7

1.2.4 从模拟计算机到数字计算机 8

1.2.5 计算机软件的发展 9

1.3 计算机体系结构的分类 13

1.3.1 冯·诺依曼体系结构 13

1.3.2 哈佛体系结构 14

1.3.3 Flynn计算机体系结构的

分类 15

1.3.4 冯泽云分类法 16

1.3.5 计算机的语言层次结构 16

1.3.6 计算机的总线组织结构 17

1.3.7 计算机的软件系统 19

1.4 计算机系统的性能指标 19

1.4.1 摩尔定律 19

1.4.2 性能测试程序 19

1.4.3 基本性能指标 20

1.4.4 Amdahl定律 23

1.5 计算机的应用 24

习题1 25

第2章 数的表示与计算体系 27

2.1 进位计数制与数制转换 27

2.1.1 进位计数制 27

2.1.2 数制间的转换 30

2.2 无符号数与文字的表示 32

2.2.1 无符号数的表示 32

2.2.2 十进制数串的表示 33

2.2.3 西文字符在计算机中的表示 33

2.2.4 中文字符在计算机中的表示 34

2.2.5 布尔代数与布尔逻辑 35

2.3 带符号数的表示 38

2.3.1 机器数与真值 38

2.3.2 原码表示 39

2.3.3 补码表示 40

2.3.4 反码表示 41

2.3.5 移码表示 42

2.4 定点数与定点运算 43

2.4.1 定点表示 43

2.4.2 加法与减法运算 43

2.4.3 原码乘法运算 45

2.4.4 原码除法运算 47

2.4.5 补码乘法运算 47

2.4.6 补码除法运算 50

2.4.7 移位运算 50

2.4.8 运算器的基本结构 52

2.5 浮点数与浮点运算 55

2.5.1 浮点表示 55

2.5.2 IEEE754浮点数标准 57

2.5.3 浮点加减运算 59

2.5.4 浮点乘除运算 61

2.5.5 浮点运算流水线 62

2.6 BCD码 63

2.6.1 BCD码的格式 63

2.6.2 BCD码加减法 64

2.6.3 BCD码乘除法 65

2.7 数据校验码 65

2.7.1 码距与数据校验码 65

2.7.2 奇偶校验码 66

2.7.3 循环冗余校验码 67

2.7.4 海明校验码 70

2.8 时序逻辑电路 72

2.8.1 触发器 72

2.8.2 寄存器 73

2.8.3 计数器 74

2.9 组合逻辑电路 74

2.9.1 三态电路 74

2.9.2 比较器 74

2.9.3 加法器 75

2.9.4 编码器 75

2.9.5 译码器 76

2.9.6 数据选择器 76

2.9.7 总线 76

2.10 阵列逻辑电路 77

2.10.1 阵列乘法器 77

2.10.2 阵列除法器 79

2.10.3 可编程逻辑阵列(PLA) 79

2.10.4 可编程阵列逻辑(PAL) 80

习题2 80

第3章 指令系统设计 82

3.1 指令类型与功能 82

3.1.1 数据传送指令 84

3.1.2 算术运算指令 85

3.1.3 逻辑运算指令 85

3.1.4 算术移位指令 86

3.1.5 逻辑移位指令 87

3.1.6 堆栈操作指令 88

3.1.7 程序控制指令 88

3.1.8 输入输出指令 90

3.1.9 其他指令 91

3.2 数据类型 91

3.2.1 数值数据类型 91

3.2.2 字符类型 92

3.2.3 逻辑数据类型 92

3.3 寻址方式 92

3.3.1 指令寻址 93

3.3.2 操作数寻址 94

3.4 指令系统设计方法 101

3.4.1 地址结构划分方法 101

3.4.2 指令系统设计的步骤 103

3.4.3 指令的操作码编码 103

3.4.4 指令的地址码编址 105

3.4.5 Huffman优化编码方法 106

3.5 CISC与RISC指令系统设计 107

3.5.1 复杂指令集计算机(CISC) 107

3.5.2 精简指令集计算机(RISC) 108

3.6 80x86/Pentium指令系统 109

3.6.1 80x86指令系统主要特征 109

3.6.2 80x86寻址方式 109

3.6.3 8088/8086 CPU的指令系统分类 111

3.6.4 Pentium指令系统 116

3.6.5 80x86/Pentium常用伪指令 117

3.7 ARM指令系统 118

3.7.1 ARM指令系统主要特征 118

3.7.2 ARM寻址方式 119

3.7.3 ARM指令系统分类 120

3.7.4 Thumb指令及应用 121

3.7.5 ARM汇编语言的伪操作 122

3.7.6 ARM汇编语言的程序结构 122

3.8 MIPS指令系统设计 123

3.8.1 MIPS概述 123

3.8.2 MIPS指令格式 124

习题3 127

第4章 中央处理器体系结构设计 129

4.1 CPU的基本结构 129

4.2 CPU中的主要寄存器 130

4.2.1 用户可见寄存器 130

4.2.2 控制和状态寄存器 131

4.3 控制器的结构 132

4.3.1 指令执行的基本步骤 132

4.3.2 控制器的组成 133

4.3.3 时序产生器和控制方式 135

4.4 组合逻辑控制器设计 138

4.4.1 组合逻辑控制器的设计原理 138

4.4.2 方框图语言与指令流程分析/数据通路分析 139

4.4.3 MIPS的单周期设计方案 143

4.4.4 MIPS的多周期设计方案 146

4.4.5 MIPS控制器的设计 148

4.5 微程序控制器设计 150

4.5.1 微程序控制器的设计原理 150

4.5.2 微程序控制器的组成 152

4.5.3 微程序控制器设计步骤 153

4.5.4 微指令的编译方法 154

4.5.5 微程序的顺序控制方式 155

4.5.6 微指令的执行方式 158

4.5.7 微指令格式的设计方法 159

4.5.8 微程序设计技术的应用 161

4.6 流水线工作原理 163

4.6.1 指令的执行方式 163

4.6.2 流水线的分类 166

4.6.3 线性流水线的性能 167

4.6.4 流水线的相关问题 169

4.7 典型的处理器设计 170

4.7.1 Intel的Pentium处理器结构与设计 170

4.7.2 ARM系列处理器结构与设计 171

4.7.3 SUN的SPARC系统 172

4.7.4 多核处理器的结构与设计 172

4.7.5 龙芯系列处理器的结构与设计 175

习题4 175

第5章 存储器体系结构设计 178

5.1 存储器概述 178

5.1.1 存储器分类 178

5.1.2 存储器的性能指标 180

5.1.3 存储器的层次体系结构 181

5.2 Cache存储器 181

5.2.1 Cache的基本结构 181

5.2.2 Cache-主存地址映射 183

5.2.3 Cache替换策略 186

5.3 随机存储器与只读存储器 188

5.3.1 随机存储器 188

5.3.2 只读存储器ROM 192

5.3.3 并行存储器 194

5.4 外部存储器和RAID 198

5.4.1 磁表面存储器的原理 198

5.4.2 磁盘存储器 200

5.4.3 磁带存储器 203

5.4.4 光盘存储器 204

5.4.5 固态盘存储器 206

5.4.6 RAID 207

5.5 虚拟存储器技术 208

5.5.1 程序运行的局部性原理 208

5.5.2 请求分页式存储管理方式 209

5.5.3 请求分段存储管理方式 215

5.5.4 请求段页式虚拟存储器 217

5.5.5 快表与慢表 217

5.5.6 存储共享与保护 218

5.6 网络存储与容灾备份 219

5.6.1 网络存储技术架构 219

5.6.2 备份与容灾 220

习题5 221

第6章 I/O系统设计 223

6.1 输入输出(I/O)系统概述 223

6.1.1 I/O系统需要解决的主要问题 223

6.1.2 I/O接口的结构与功能 224

6.1.3 I/O接口的类型 225

6.1.4 输入输出设备的编址 226

6.2 程序查询方式 227

6.2.1 程序查询流程 227

6.2.2 程序查询方式的接口电路 228

6.3 中断输入输出方式 229

6.3.1 中断的作用、产生和响应 229

6.3.2 中断处理流程 230

6.3.3 程序中断设备接口的组成和工作原理 231

6.4 DMA输入输出方式 233

6.4.1 DMA方式的特点与应用场合 233

6.4.2 DMA控制器组成 234

6.4.3 DMA的数据传送过程 236

6.5 I/O通道和处理机 238

6.5.1 通道概述 238

6.5.2 通道的类型 239

6.5.3 通道的组成结构 240

6.5.4 通道工作过程 241

6.5.5 I/O处理机 242

6.6 总线结构 242

6.6.1 总线的概念和结构形态 242

6.6.2 总线规范与性能 243

6.6.3 总线的组成与结构 244

6.6.4 总线的设计与仲裁 245

6.6.5 总线的定时和数据传送模式 248

6.7 外部设备 249

6.7.1 输入——键盘 249

6.7.2 输入——鼠标、跟踪球和操作杆输入 251

6.7.3 输入——图像输入设备(数码相机、摄像机和摄像头) 251

6.7.4 输入——语音录入系统 252

6.7.5 输入——光笔、手写板、绘图板 253

6.7.6 输入——条形码与二维码 253

6.7.7 输入—— OCR技术和文字输入系统 255

6.7.8 输出——显示技术 256

6.7.9 输出——打印机、绘图仪 260

6.7.10 输出——声音输出设备 262

6.7.11 交互式输入/输出——触摸屏 263

6.7.12 交互式输入/输出——虚拟现实VR 264

6.7.13 交互式输入/输出——脑波读取和意念控制 265

6.8 外设接口 266

6.8.1 ISA/EISA 266

6.8.2 PCI/PCI-E 266

6.8.3 ATA (IDE)/PATA/SATA

接口 267

6.8.4 并行I/O标准接口SCSI和

SAS 267

6.8.5 光纤通道和InfiniBand 268

6.8.6 PCMCIA 268

6.8.7 DVI/HDMI 268

6.8.8 串行通信接口和USB 269

6.8.9 IEEE 1394/Firewire 270

习题6 271

第7章 并行处理与普适计算 272

7.1 并行计算机系统结构 272

7.1.1 指令级并行和机器并行 272

7.1.2 并行计算机系统结构 275

7.2 单处理机系统中的并行机制 278

7.2.1 超线程和同时多线程SMT 278

7.2.2 单芯片多核处理器CMP 280

7.2.3 协处理器 280

7.2.4 超标量与超流水线 281

7.3 多处理机系统的组织结构 283

7.3.1 系统拓扑结构 283

7.3.2 多处理机系统中的存储器管理 286

7.3.3 多处理机系统中的通信 287

7.3.4 多处理机高速缓冲存储器一致性 289

7.3.5 多处理机的同步 295

7.3.6 多处理机实例 298

7.4 多处理机操作系统和算法 302

7.4.1 多处理机操作系统 302

7.4.2 并行处理机算法 303

7.5 从计算机到网络 304

7.5.1 计算机网络 304

7.5.2 物联网 305

7.5.3 无线传感器网络 306

7.5.4 网格计算 306

7.5.5 云计算 307

7.6 普适计算和移动计算 308

7.6.1 普适计算 308

7.6.2 分布式计算 309

7.6.3 移动计算和超移动计算 309

7.6.4 迅驰技术 310

7.6.5 智能手机 310

7.6.6 笔记本电脑/平板电脑 311

7.6.7 PDA智能终端 311

7.6.8 车载智能终端 312

习题7 312

第8章 生物计算机 314

8.1 生物计算机概述 314

8.1.1 生物计算机的特点 314

8.1.2 生物计算机种类 315

8.2 基因调控开关和生物芯片 316

8.2.1 转换开关 316

8.2.2 Riboswitch 316

8.2.3 双稳态开关 316

8.2.4 生物芯片 317

8.3 神经(元)计算机 318

8.3.1 神经(元)计算机的概述 318

8.3.2 神经网络的结构与算法 319

8.3.3 神经网络的学习方式 320

8.4 DNA计算机 323

8.4.1 DNA计算机概述 323

8.4.2 DNA计算机的模型 324

8.4.3 DNA计算机的体系结构 325

8.5 细胞计算机 326

8.5.1 细胞计算机概述 326

8.5.2 细胞自动机的结构 327

8.6 纳米机器人 330

8.6.1 纳米机器人概述 330

8.6.2 纳米机器人结构 331

习题8 334

第9章 光计算机 335

9.1 光计算机概述 335

9.2 光计算机基本原理 336

9.2.1 数字光计算 336

9.2.2 光学傅里叶变换 337

9.2.3 光学计算机实现 339

9.3 激光通信 340

9.3.1 激光通信概述 340

9.3.2 激光通信的基本架构 341

9.3.3 光发射机 342

9.3.4 光纤 343

9.3.5 光接收机 344

9.3.6 光放大器 345

9.3.7 光纤通信系统的主要性能指标 345

9.3.8 FDDI协议 347

9.3.9 光纤传输的波动理论 347

9.4 光量子计算机 348

9.4.1 普朗克黑体辐射理论 348

9.4.2 爱因斯坦光电效应方程 349

9.4.3 康普顿散射 350

9.4.4 光的波粒二象性 351

9.4.5 光量子计算机的实现 352

习题9 353

第10章 量子计算机 354

10.1 量子计算机概述 354

10.2 量子态和量子编码非经典特性 355

10.2.1 量子态的描述——波函数和量子态叠加原理 355

10.2.2 量子态时间演化和计算操作 356

10.2.3 量子纠缠现象 356

10.2.4 量子非克隆定理 357

10.3 量子位与量子逻辑门 357

10.3.1 量子位 357

10.3.2 量子逻辑门 359

10.4 量子算法 363

10.4.1 Shor算法 363

10.4.2 Grover算法 365

10.5 量子通信 367

10.6 量子加密 368

10.6.1 量子密钥分配 368

10.6.2 无噪信道下的BB84协议 368

10.6.3 有噪信道下的BB84协议 369

10.7 量子计算机的物理实现 370

10.7.1 光学量子计算机 370

10.7.2 离子阱量子计算机 371

10.7.3 中性原子量子计算机 371

10.7.4 超导量子计算机 372

10.7.5 腔量子电动力学量子计算机 372

10.7.6 量子点体系的量子计算机 373

习题10 373

主要参考文献 3742100433B

《计算机体系结构设计》全面透彻地讲解经典计算机以及生物、光、量子等非经典计算机的体系结构设计方法，并融入大量新知识点，技术底蕴深厚。全书共分10 章，清晰阐释重要概念，详述计算机体系结构的分析、设计和计算方法，注重培养读者的体系结构思维和创新能力，帮助读者建立起完整的知识体系。为方便读者自我检测，并扎实掌握所学的知识点，全书共列出200 多道精选例题和习题。

《计算机体系结构设计》层次清晰、图文并茂、实例丰富、讲述详细，可作为高等院校计算机相关专业的本科生、研究生教材，可作为计算机资格考试培训机构用书，也可供计算机工程技术人员参考。

一部计算机表现出某种智能行为并不一定被认为它本身有智能。为了判定计算机是否具有智能，图灵曾设计了一种测试方法，即有名的图灵试验。设想一个测试者用计算机终端分别与被测的人及计算机联系（测试者不能直接看到被测人与计算机），如果从回答测试者问题的信息中不能正确区分被测者是人还是计算机，即把计算机当成人了，就应认为计算机具有智能。这是一种关于智能机的行为主义的观点。以回答问题的能力做为具有智能的判据有一定局限性，因为人的智能涉及许多方面，有些智能如形象思维就不可以言传。这种测试也难以反映自学习自适应能力。人们一方面追求用机器实现智能，另一方面又不大相信电子器件的自动开与关能实现人的思维。因此当一种实现智能应用的方法很有效时，往往认为这是一种已知的技术，与其他计算机程序运行没什么不同，人们对于机器模拟人类思维的矛盾心理趋向于认为一个能工作的系统是有用的但不是真正有智能的。

实际上，智能计算机已经成为一个动态的发展的概念，它始终处于不断向前推进的计算机技术的前沿。人工智能的权威学者M.明斯基定义人工智能的任务是研究还没有解决的计算机问题。这一观点反映了人工智能与智能机研究有别于其他学科的显著特点。智能应用问题往往没有确定的求解算法而采用搜索的办法，一旦人们对某一问题掌握了足够丰富的知识，即已找到了不需要搜索的确定型算法，可以预见其行为与效果时，这个问题一般就不再认为是一个智能问题了。从应用的角度看，如果一项人工智能的研究成果已经成熟并被广泛采用，人们已经了解它的运行机制，就不再把它视为智能技术了。可以预言，目前被看成是智能计算机主要组成部分的知识库在不久的将来就会像数据库一样被当成一般的计算机技术。因此，智能计算机与其看成是与传统计算机完全不同的一种机器，还不如看成是带动计算机不断发展的一项高技术。这种压力迫使从事智能计算机研究的科研人员必须不断提出新概念、新方法，不断攻克新的技术难关。

研制智能计算机的目的不是用计算机代替人的脑力劳动，而是充分发挥人和计算机各自的特长，形成互补、协调的人机合作环境。不怎么聪明的智能计算机可以使聪明的人更加聪明。在人机合作的和谐环境中，人主要负责提供涉及面很广的常识和从事有创造性的工作，机器作为人的助手从事需要一定智能的其他工作。智能机往往是某些方面聪明过人而其他方面又十分愚笨，因此设计一个高效率高智商的人机协作智能系统必须合理地确定哪些事由人做，哪些事由机器做，而且要建立十分友好的人机对话界面。

在钢铁生产中高炉炼铁较其他部门需要更复杂的数学模型，目前计算机控制主要用于各种数据的收集、分析、记录，炉料的称量、校正、装卸、运输，控制热平衡，稳定炉况等。比较成熟的是用于热风炉系统和装料系统的自动控制。目前电子计算机应用于高炉生产的职能与任务可以概括为：

高炉计算机控制,现在倾向于采用以下两种形式:①分支控制，即上料系统和热风炉各用一台小型计算机控制，高炉本体另用一台主计算机控制。也有数座高炉共用一台主机集中控制,而每座高炉的热风及上料系统,各由一台小型计算机控制。②将高炉分成若干区域，进行局部控制。计算机接受高炉各部分发来的信号，然后发出指令，直接传送给调节器或提供给操作人员。