計算統(tǒng)一設備體系結(jié)構(gòu)

《計算機科學技術名詞 》第三版。

一種通用并行計算體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)可利用圖形處理器（GPU）中的眾多計算核心進行通用計算處理工作，它包含CUDA指令集體系結(jié)構(gòu)以及GPU內(nèi)部的并行計算引擎。

《計算機體系結(jié)構(gòu)設計》全面透徹地講解經(jīng)典計算機以及生物、光、量子等非經(jīng)典計算機的體系結(jié)構(gòu)設計方法，并融入大量新知識點，技術底蘊深厚。全書共分10 章，清晰闡釋重要概念，詳述計算機體系結(jié)構(gòu)的分析、設計和計算方法，注重培養(yǎng)讀者的體系結(jié)構(gòu)思維和創(chuàng)新能力，幫助讀者建立起完整的知識體系。為方便讀者自我檢測，并扎實掌握所學的知識點，全書共列出200 多道精選例題和習題。

《計算機體系結(jié)構(gòu)設計》層次清晰、圖文并茂、實例豐富、講述詳細，可作為高等院校計算機相關專業(yè)的本科生、研究生教材，可作為計算機資格考試培訓機構(gòu)用書，也可供計算機工程技術人員參考。

第1章 緒論 1

1.1 計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念 1

1.2 計算機的發(fā)展簡史 2

1.2.1 機械式計算機的發(fā)展 2

1.2.2 電子計算機硬件結(jié)構(gòu)的發(fā)展 3

1.2.3 微處理器的發(fā)展 7

1.2.4 從模擬計算機到數(shù)字計算機 8

1.2.5 計算機軟件的發(fā)展 9

1.3 計算機體系結(jié)構(gòu)的分類 13

1.3.1 馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu) 13

1.3.2 哈佛體系結(jié)構(gòu) 14

1.3.3 Flynn計算機體系結(jié)構(gòu)的

分類 15

1.3.4 馮澤云分類法 16

1.3.5 計算機的語言層次結(jié)構(gòu) 16

1.3.6 計算機的總線組織結(jié)構(gòu) 17

1.3.7 計算機的軟件系統(tǒng) 19

1.4 計算機系統(tǒng)的性能指標 19

1.4.1 摩爾定律 19

1.4.2 性能測試程序 19

1.4.3 基本性能指標 20

1.4.4 Amdahl定律 23

1.5 計算機的應用 24

習題1 25

第2章 數(shù)的表示與計算體系 27

2.1 進位計數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換 27

2.1.1 進位計數(shù)制 27

2.1.2 數(shù)制間的轉(zhuǎn)換 30

2.2 無符號數(shù)與文字的表示 32

2.2.1 無符號數(shù)的表示 32

2.2.2 十進制數(shù)串的表示 33

2.2.3 西文字符在計算機中的表示 33

2.2.4 中文字符在計算機中的表示 34

2.2.5 布爾代數(shù)與布爾邏輯 35

2.3 帶符號數(shù)的表示 38

2.3.1 機器數(shù)與真值 38

2.3.2 原碼表示 39

2.3.3 補碼表示 40

2.3.4 反碼表示 41

2.3.5 移碼表示 42

2.4 定點數(shù)與定點運算 43

2.4.1 定點表示 43

2.4.2 加法與減法運算 43

2.4.3 原碼乘法運算 45

2.4.4 原碼除法運算 47

2.4.5 補碼乘法運算 47

2.4.6 補碼除法運算 50

2.4.7 移位運算 50

2.4.8 運算器的基本結(jié)構(gòu) 52

2.5 浮點數(shù)與浮點運算 55

2.5.1 浮點表示 55

2.5.2 IEEE754浮點數(shù)標準 57

2.5.3 浮點加減運算 59

2.5.4 浮點乘除運算 61

2.5.5 浮點運算流水線 62

2.6 BCD碼 63

2.6.1 BCD碼的格式 63

2.6.2 BCD碼加減法 64

2.6.3 BCD碼乘除法 65

2.7 數(shù)據(jù)校驗碼 65

2.7.1 碼距與數(shù)據(jù)校驗碼 65

2.7.2 奇偶校驗碼 66

2.7.3 循環(huán)冗余校驗碼 67

2.7.4 海明校驗碼 70

2.8 時序邏輯電路 72

2.8.1 觸發(fā)器 72

2.8.2 寄存器 73

2.8.3 計數(shù)器 74

2.9 組合邏輯電路 74

2.9.1 三態(tài)電路 74

2.9.2 比較器 74

2.9.3 加法器 75

2.9.4 編碼器 75

2.9.5 譯碼器 76

2.9.6 數(shù)據(jù)選擇器 76

2.9.7 總線 76

2.10 陣列邏輯電路 77

2.10.1 陣列乘法器 77

2.10.2 陣列除法器 79

2.10.3 可編程邏輯陣列(PLA) 79

2.10.4 可編程陣列邏輯(PAL) 80

習題2 80

第3章 指令系統(tǒng)設計 82

3.1 指令類型與功能 82

3.1.1 數(shù)據(jù)傳送指令 84

3.1.2 算術運算指令 85

3.1.3 邏輯運算指令 85

3.1.4 算術移位指令 86

3.1.5 邏輯移位指令 87

3.1.6 堆棧操作指令 88

3.1.7 程序控制指令 88

3.1.8 輸入輸出指令 90

3.1.9 其他指令 91

3.2 數(shù)據(jù)類型 91

3.2.1 數(shù)值數(shù)據(jù)類型 91

3.2.2 字符類型 92

3.2.3 邏輯數(shù)據(jù)類型 92

3.3 尋址方式 92

3.3.1 指令尋址 93

3.3.2 操作數(shù)尋址 94

3.4 指令系統(tǒng)設計方法 101

3.4.1 地址結(jié)構(gòu)劃分方法 101

3.4.2 指令系統(tǒng)設計的步驟 103

3.4.3 指令的操作碼編碼 103

3.4.4 指令的地址碼編址 105

3.4.5 Huffman優(yōu)化編碼方法 106

3.5 CISC與RISC指令系統(tǒng)設計 107

3.5.1 復雜指令集計算機(CISC) 107

3.5.2 精簡指令集計算機(RISC) 108

3.6 80x86/Pentium指令系統(tǒng) 109

3.6.1 80x86指令系統(tǒng)主要特征 109

3.6.2 80x86尋址方式 109

3.6.3 8088/8086 CPU的指令系統(tǒng)分類 111

3.6.4 Pentium指令系統(tǒng) 116

3.6.5 80x86/Pentium常用偽指令 117

3.7 ARM指令系統(tǒng) 118

3.7.1 ARM指令系統(tǒng)主要特征 118

3.7.2 ARM尋址方式 119

3.7.3 ARM指令系統(tǒng)分類 120

3.7.4 Thumb指令及應用 121

3.7.5 ARM匯編語言的偽操作 122

3.7.6 ARM匯編語言的程序結(jié)構(gòu) 122

3.8 MIPS指令系統(tǒng)設計 123

3.8.1 MIPS概述 123

3.8.2 MIPS指令格式 124

習題3 127

第4章 中央處理器體系結(jié)構(gòu)設計 129

4.1 CPU的基本結(jié)構(gòu) 129

4.2 CPU中的主要寄存器 130

4.2.1 用戶可見寄存器 130

4.2.2 控制和狀態(tài)寄存器 131

4.3 控制器的結(jié)構(gòu) 132

4.3.1 指令執(zhí)行的基本步驟 132

4.3.2 控制器的組成 133

4.3.3 時序產(chǎn)生器和控制方式 135

4.4 組合邏輯控制器設計 138

4.4.1 組合邏輯控制器的設計原理 138

4.4.2 方框圖語言與指令流程分析/數(shù)據(jù)通路分析 139

4.4.3 MIPS的單周期設計方案 143

4.4.4 MIPS的多周期設計方案 146

4.4.5 MIPS控制器的設計 148

4.5 微程序控制器設計 150

4.5.1 微程序控制器的設計原理 150

4.5.2 微程序控制器的組成 152

4.5.3 微程序控制器設計步驟 153

4.5.4 微指令的編譯方法 154

4.5.5 微程序的順序控制方式 155

4.5.6 微指令的執(zhí)行方式 158

4.5.7 微指令格式的設計方法 159

4.5.8 微程序設計技術的應用 161

4.6 流水線工作原理 163

4.6.1 指令的執(zhí)行方式 163

4.6.2 流水線的分類 166

4.6.3 線性流水線的性能 167

4.6.4 流水線的相關問題 169

4.7 典型的處理器設計 170

4.7.1 Intel的Pentium處理器結(jié)構(gòu)與設計 170

4.7.2 ARM系列處理器結(jié)構(gòu)與設計 171

4.7.3 SUN的SPARC系統(tǒng) 172

4.7.4 多核處理器的結(jié)構(gòu)與設計 172

4.7.5 龍芯系列處理器的結(jié)構(gòu)與設計 175

習題4 175

第5章 存儲器體系結(jié)構(gòu)設計 178

5.1 存儲器概述 178

5.1.1 存儲器分類 178

5.1.2 存儲器的性能指標 180

5.1.3 存儲器的層次體系結(jié)構(gòu) 181

5.2 Cache存儲器 181

5.2.1 Cache的基本結(jié)構(gòu) 181

5.2.2 Cache-主存地址映射 183

5.2.3 Cache替換策略 186

5.3 隨機存儲器與只讀存儲器 188

5.3.1 隨機存儲器 188

5.3.2 只讀存儲器ROM 192

5.3.3 并行存儲器 194

5.4 外部存儲器和RAID 198

5.4.1 磁表面存儲器的原理 198

5.4.2 磁盤存儲器 200

5.4.3 磁帶存儲器 203

5.4.4 光盤存儲器 204

5.4.5 固態(tài)盤存儲器 206

5.4.6 RAID 207

5.5 虛擬存儲器技術 208

5.5.1 程序運行的局部性原理 208

5.5.2 請求分頁式存儲管理方式 209

5.5.3 請求分段存儲管理方式 215

5.5.4 請求段頁式虛擬存儲器 217

5.5.5 快表與慢表 217

5.5.6 存儲共享與保護 218

5.6 網(wǎng)絡存儲與容災備份 219

5.6.1 網(wǎng)絡存儲技術架構(gòu) 219

5.6.2 備份與容災 220

習題5 221

第6章 I/O系統(tǒng)設計 223

6.1 輸入輸出(I/O)系統(tǒng)概述 223

6.1.1 I/O系統(tǒng)需要解決的主要問題 223

6.1.2 I/O接口的結(jié)構(gòu)與功能 224

6.1.3 I/O接口的類型 225

6.1.4 輸入輸出設備的編址 226

6.2 程序查詢方式 227

6.2.1 程序查詢流程 227

6.2.2 程序查詢方式的接口電路 228

6.3 中斷輸入輸出方式 229

6.3.1 中斷的作用、產(chǎn)生和響應 229

6.3.2 中斷處理流程 230

6.3.3 程序中斷設備接口的組成和工作原理 231

6.4 DMA輸入輸出方式 233

6.4.1 DMA方式的特點與應用場合 233

6.4.2 DMA控制器組成 234

6.4.3 DMA的數(shù)據(jù)傳送過程 236

6.5 I/O通道和處理機 238

6.5.1 通道概述 238

6.5.2 通道的類型 239

6.5.3 通道的組成結(jié)構(gòu) 240

6.5.4 通道工作過程 241

6.5.5 I/O處理機 242

6.6 總線結(jié)構(gòu) 242

6.6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài) 242

6.6.2 總線規(guī)范與性能 243

6.6.3 總線的組成與結(jié)構(gòu) 244

6.6.4 總線的設計與仲裁 245

6.6.5 總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式 248

6.7 外部設備 249

6.7.1 輸入——鍵盤 249

6.7.2 輸入——鼠標、跟蹤球和操作桿輸入 251

6.7.3 輸入——圖像輸入設備(數(shù)碼相機、攝像機和攝像頭) 251

6.7.4 輸入——語音錄入系統(tǒng) 252

6.7.5 輸入——光筆、手寫板、繪圖板 253

6.7.6 輸入——條形碼與二維碼 253

6.7.7 輸入—— OCR技術和文字輸入系統(tǒng) 255

6.7.8 輸出——顯示技術 256

6.7.9 輸出——打印機、繪圖儀 260

6.7.10 輸出——聲音輸出設備 262

6.7.11 交互式輸入/輸出——觸摸屏 263

6.7.12 交互式輸入/輸出——虛擬現(xiàn)實VR 264

6.7.13 交互式輸入/輸出——腦波讀取和意念控制 265

6.8 外設接口 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標準接口SCSI和

SAS 267

6.8.5 光纖通道和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

習題6 271

第7章 并行處理與普適計算 272

7.1 并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 272

7.1.1 指令級并行和機器并行 272

7.1.2 并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 275

7.2 單處理機系統(tǒng)中的并行機制 278

7.2.1 超線程和同時多線程SMT 278

7.2.2 單芯片多核處理器CMP 280

7.2.3 協(xié)處理器 280

7.2.4 超標量與超流水線 281

7.3 多處理機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu) 283

7.3.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu) 283

7.3.2 多處理機系統(tǒng)中的存儲器管理 286

7.3.3 多處理機系統(tǒng)中的通信 287

7.3.4 多處理機高速緩沖存儲器一致性 289

7.3.5 多處理機的同步 295

7.3.6 多處理機實例 298

7.4 多處理機操作系統(tǒng)和算法 302

7.4.1 多處理機操作系統(tǒng) 302

7.4.2 并行處理機算法 303

7.5 從計算機到網(wǎng)絡 304

7.5.1 計算機網(wǎng)絡 304

7.5.2 物聯(lián)網(wǎng) 305

7.5.3 無線傳感器網(wǎng)絡 306

7.5.4 網(wǎng)格計算 306

7.5.5 云計算 307

7.6 普適計算和移動計算 308

7.6.1 普適計算 308

7.6.2 分布式計算 309

7.6.3 移動計算和超移動計算 309

7.6.4 迅馳技術 310

7.6.5 智能手機 310

7.6.6 筆記本電腦/平板電腦 311

7.6.7 PDA智能終端 311

7.6.8 車載智能終端 312

習題7 312

第8章 生物計算機 314

8.1 生物計算機概述 314

8.1.1 生物計算機的特點 314

8.1.2 生物計算機種類 315

8.2 基因調(diào)控開關和生物芯片 316

8.2.1 轉(zhuǎn)換開關 316

8.2.2 Riboswitch 316

8.2.3 雙穩(wěn)態(tài)開關 316

8.2.4 生物芯片 317

8.3 神經(jīng)(元)計算機 318

8.3.1 神經(jīng)(元)計算機的概述 318

8.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)與算法 319

8.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡的學習方式 320

8.4 DNA計算機 323

8.4.1 DNA計算機概述 323

8.4.2 DNA計算機的模型 324

8.4.3 DNA計算機的體系結(jié)構(gòu) 325

8.5 細胞計算機 326

8.5.1 細胞計算機概述 326

8.5.2 細胞自動機的結(jié)構(gòu) 327

8.6 納米機器人 330

8.6.1 納米機器人概述 330

8.6.2 納米機器人結(jié)構(gòu) 331

習題8 334

第9章 光計算機 335

9.1 光計算機概述 335

9.2 光計算機基本原理 336

9.2.1 數(shù)字光計算 336

9.2.2 光學傅里葉變換 337

9.2.3 光學計算機實現(xiàn) 339

9.3 激光通信 340

9.3.1 激光通信概述 340

9.3.2 激光通信的基本架構(gòu) 341

9.3.3 光發(fā)射機 342

9.3.4 光纖 343

9.3.5 光接收機 344

9.3.6 光放大器 345

9.3.7 光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標 345

9.3.8 FDDI協(xié)議 347

9.3.9 光纖傳輸?shù)牟▌永碚?347

9.4 光量子計算機 348

9.4.1 普朗克黑體輻射理論 348

9.4.2 愛因斯坦光電效應方程 349

9.4.3 康普頓散射 350

9.4.4 光的波粒二象性 351

9.4.5 光量子計算機的實現(xiàn) 352

習題9 353

第10章 量子計算機 354

10.1 量子計算機概述 354

10.2 量子態(tài)和量子編碼非經(jīng)典特性 355

10.2.1 量子態(tài)的描述——波函數(shù)和量子態(tài)疊加原理 355

10.2.2 量子態(tài)時間演化和計算操作 356

10.2.3 量子糾纏現(xiàn)象 356

10.2.4 量子非克隆定理 357

10.3 量子位與量子邏輯門 357

10.3.1 量子位 357

10.3.2 量子邏輯門 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 量子密鑰分配 368

10.6.2 無噪信道下的BB84協(xié)議 368

10.6.3 有噪信道下的BB84協(xié)議 369

10.7 量子計算機的物理實現(xiàn) 370

10.7.1 光學量子計算機 370

10.7.2 離子阱量子計算機 371

10.7.3 中性原子量子計算機 371

10.7.4 超導量子計算機 372

10.7.5 腔量子電動力學量子計算機 372

10.7.6 量子點體系的量子計算機 373

習題10 373

主要參考文獻 3742100433B