计算机组成与嵌入式系统（原书第6版）

出版时间：2013-10  出版社：机械工业出版社  作者：（加） Carl Hamacher,Zvonko Vranesic,Naraig Manjikian  译者：王国华 等  
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内容概要

本书是一本经典的计算机组成教材，自1978年问世以来，已被多所世界知名大学选为教材。本书知识结构合理，知识点全面完整，基本概念广泛而新颖。书中不仅介绍了硬件设计的原理，说明了硬件设计如何受软件需求影响，而且以流行的商用处理器作为范例，描述了各种基本知识和基本概念的应用方法和应用过程，具有很强的实用性。此外，本书还涵盖了当今许多先进的技术和设计思想。
本书特色
系统地介绍了现代计算机硬件系统的各个组成部分，包括处理器、输入/输出、存储器和互连标准等。
以Nios II、ARM、ColdFire和Intel IA-32等商用处理器为例来阐释基本概念，侧重于讨论RISC设计风格的处理器（如MIPS），同时也介绍了CISC设计风格的处理器（如应用比较广泛的商用处理器Intel IA-32）。

作者简介

Carl Hamacher　女皇大学电子与计算机工程系荣誉退休教授，曾担任女皇大学应用科学系主任，多伦多大学电子工程及计算机科学系教授、计算机系统研究所所长、工程科学部主席。他的研究兴趣是多处理器和多计算机，侧重于网络互连。
Zvonko Vranesic　多伦多大学电子与计算机工程系荣誉退休教授，曾参与Altera公司多伦多技术中心的研究和开发工作。他代表加拿大参加过多次国际象棋比赛，拥有国际象棋大师的头衔。他的研究兴趣是计算机体系结构、现场可编程VLSI技术和多值逻辑系统。
Safwat Zaky　多伦多大学电子与计算机工程系荣誉退休教授，并且曾担任该系系主任。他的研究兴趣是计算机体系结构、数字电路设计和电磁兼容性。
Naraig Manjikian　女皇大学电子与计算机工程系副教授，他的研究兴趣是计算机体系结构、多处理器系统、现场可编程VLSI技术和并行处理应用。

书籍目录

译者序
前言
作者简介
第1章　计算机的基本结构  1
1.1　计算机的类型  1
1.2　功能部件  2
1.2.1　输入设备  3
1.2.2　存储器  3
1.2.3　运算器  4
1.2.4　输出设备  4
1.2.5　控制器  4
1.3　基本操作概念  4
1.4　数的表示及算术运算  6
1.4.1　整数  6
1.4.2　浮点数  11
1.5　字符表示  11
1.6　性能  12
1.6.1　技术  13
1.6.2　并行性  13
1.7　发展历程  13
1.7.1　第一代计算机  14
1.7.2　第二代计算机  14
1.7.3　第三代计算机  14
1.7.4　第四代计算机  14
1.8　结束语  15
1.9　问题解析  15
习题  16
参考文献  17
第2章　指令集体系结构  18
2.1　存储单元和地址  18
2.1.1　按字节寻址能力  19
2.1.2　大端和小端分配  20
2.1.3　字的对齐  20
2.1.4　访问数和字符  20
2.2　存储器操作  21
2.3　指令和指令序列  21
2.3.1　寄存器传送标记  21
2.3.2　汇编语言符号  22
2.3.3　RISC和CISC指令集  22
2.3.4　RISC指令集介绍  23
2.3.5　指令执行和线性序列  24
2.3.6　转移  25
2.3.7　生成存储器地址  26
2.4　寻址方式  26
2.4.1　变量和常数的实现  27
2.4.2　间接和指针  28
2.4.3　变址和数组  29
2.5　汇编语言  32
2.5.1　汇编指示  33
2.5.2　程序的汇编和执行  35
2.5.3　数的表示  36
2.6　堆栈  36
2.7　子程序  38
2.7.1　子程序嵌套及处理器堆栈  39
2.7.2　参数传递  39
2.7.3　堆栈的结构  42
2.8　其他指令  44
2.8.1　逻辑指令  44
2.8.2　移位和循环移位指令  45
2.8.3　乘法和除法  47
2.9　处理32位的立即值  47
2.10　CISC指令集  48
2.10.1　其他寻址方式  49
2.10.2　条件码  50
2.11　RISC和CISC风格  51
2.12　实例程序  52
2.12.1　向量点积程序  52
2.12.2　字符串搜索程序  53
2.13　机器指令的编码  54
2.14　结束语  56
2.15　问题解析  56
习题  59
第3章　基本输入/输出  63
3.1　访问I/O设备  63
3.1.1　I/O设备接口  64
3.1.2　程序控制I/O  64
3.1.3　一个RISC风格的I/O程序示例  67
3.1.4　一个CISC风格的I/O程序示例  67
3.2　中断  68
3.2.1　中断的允许与禁止  70
3.2.2　处理多台设备  71
3.2.3　控制I/O设备行为  72
3.2.4　处理器控制寄存器  73
3.2.5　中断程序示例  74
3.2.6　异常  78
3.3　结束语  79
3.4　问题解析  79
习题  83
第4章　软件  86
4.1　汇编过程  86
4.2　装载及执行目标程序  87
4.3　连接程序  88
4.4　库  88
4.5　编译器  88
4.5.1　编译器优化  89
4.5.2　组合不同语言编写的程序  89
4.6　调试器  90
4.7　使用高级语言实现输入/输出任务  90
4.8　汇编语言与C语言的交互  92
4.9　操作系统  95
4.9.1　引导程序  96
4.9.2　管理应用程序的执行  96
4.9.3　中断在操作系统中的使用  97
4.10　结束语  99
习题  99
参考文献  100
第5章　基本处理部件  101
5.1　一些基本概念  101
5.2　指令的执行  103
5.2.1　Load指令  103
5.2.2　算术及逻辑运算指令  104
5.2.3　Store指令  104
5.3　硬件组件  105
5.3.1　寄存器文件  105
5.3.2　ALU  106
5.3.3　数据通路  106
5.3.4　取指令部分  108
5.4　指令的读取和执行步骤  109
5.4.1　转移  111
5.4.2　等待存储器  113
5.5　控制信号  114
5.6　硬件控制  116
5.6.1　数据通路控制信号  117
5.6.2　存储器延迟的处理  118
5.7　CICS风格的处理器  118
5.7.1　使用总线实现互连  119
5.7.2　微程序控制  121
5.8　结束语  122
5.9　问题解析  122
习题  124
第6章　流水线  127
6.1　基本概念——理想情况  127
6.2　流水线结构  128
6.3　流水线问题  129
6.4　数据依赖性  129
6.4.1　操作数转发  129
6.4.2　用软件处理数据依赖性  130
6.5　存储器延迟  131
6.6　转移延迟  132
6.6.1　无条件转移  132
6.6.2　条件转移  133
6.6.3　转移延迟槽  133
6.6.4　转移预测  134
6.7　资源限制  136
6.8　性能评估  137
6.8.1　停顿和时间代价的影响  137
6.8.2　流水线的段数  138
6.9　超标量操作  139
6.9.1　转移和数据依赖性  140
6.9.2　无序执行  141
6.9.3　执行完成  141
6.9.4　调度操作  142
6.10　CISC处理器中的流水线  143
6.10.1　ColdFire处理器中的流水线  144
6.10.2　Intel处理器中的流水线  144
6.11　结束语  144
6.12　问题解析  145
习题  146
参考文献  148
第7章　输入/输出组织结构  149
7.1　总线结构  149
7.2　总线操作  150
7.2.1　同步总线  150
7.2.2　异步总线  152
7.2.3　电气考虑  154
7.3　总线仲裁  154
7.4　接口电路  156
7.4.1　并行接口  156
7.4.2　串行接口  159
7.5　互连标准  161
7.5.1　通用串行总线  162
7.5.2　火线  164
7.5.3　PCI总线  165
7.5.4　SCSI总线  168
7.5.5　SATA  169
7.5.6　SAS  169
7.5.7　PCI Express  169
7.6　结束语  170
7.7　问题解析  170
习题  172
参考文献  173
第8章　存储器系统  174
8.1　基本概念  174
8.2　半导体随机存储器  175
8.2.1　存储器芯片的内部组织结构  176
8.2.2　静态存储器  177
8.2.3　动态随机存储器  178
8.2.4　同步动态随机存储器  180
8.2.5　大容量存储器的结构  182
8.3　只读存储器  184
8.3.1　ROM  184
8.3.2　PROM  185
8.3.3　EPROM  185
8.3.4　EEPROM  185
8.3.5　闪存  186
8.4　直接存储器访问  186
8.5　存储器层次结构  188
8.6　高速缓存  189
8.6.1　映射功能  190
8.6.2　替换算法  193
8.6.3　映射技术的例子  194
8.7　性能因素  196
8.7.1　命中率和失效开销  196
8.7.2　处理器芯片上的高速缓存  198
8.7.3　其他改进  198
8.8　虚拟存储器  200
8.9　存储器管理需求  203
8.10　辅助存储器  204
8.10.1　磁盘  204
8.10.2　光盘  208
8.10.3　磁带系统  211
8.11　结束语  212
8.12　问题解析  212
习题  215
参考文献  217
第9章　算术运算  218
9.1　有符号数加减法  218
9.2　快速加法器设计  220
9.3　无符号数乘法  224
9.3.1　阵列乘法器  224
9.3.2　顺序电路乘法器  225
9.4　有符号数乘法  227
9.5　快速乘法  229
9.5.1　乘数位偶重编码  229
9.5.2　求和项的进位保留加法  229
9.5.3　使用3-2简化器的求和项加法树  231
9.5.4　使用4-2简化器的求和项加法树  233
9.5.5　快速乘法总结  234
9.6　整数除法  234
9.7　浮点数及其运算  236
9.7.1　浮点数算术运算  238
9.7.2　保护位与截取  239
9.7.3　浮点操作的实现  240
9.8　十进制数到二进制数的转换  242
9.9　结束语  242
9.10　问题解析  243
习题  245
参考文献  248
第10章　嵌入式系统  249
10.1　嵌入式系统实例  249
10.1.1　微波炉  249
10.1.2　数码照相机  251
10.1.3　家用遥测技术  252
10.2　嵌入式应用中的微控制器芯片  252
10.3　一个简单的微控制器  253
10.3.1　并行I/O接口  253
10.3.2　串行I/O接口  256
10.3.3　计数器/定时器  256
10.3.4　中断控制机制  258
10.3.5　编程实例  258
10.4　反应定时器——?一个完整的实例  261
10.5　传感器与执行器  264
10.5.1　传感器  264
10.5.2　执行器  266
10.5.3　应用实例  266
10.6　微控制器系列  267
10.6.1　基于Intel 8051的微控制器  268
10.6.2　Freescale微控制器  268
10.6.3　ARM微控制器  269
10.7　设计问题  269
10.8　结束语  271
习题  271
参考文献  273
第11章　片上系统——案例研究  274
11.1　FPGA的实现  274
11.1.1　FPGA器件  275
11.1.2　处理器的选择  275
11.2　计算机辅助设计工具  275
11.3　闹钟示例  279
11.3.1　系统的用户视图  279
11.3.2　系统的定义和生成  279
11.3.3　电路实现  281
11.3.4　应用软件  281
11.4　结束语  287
习题  287
参考文献  288
第12章　并行处理及性能  289
12.1　硬件多线程  289
12.2　向量（SIMD）处理  290
12.3　共享存储器的多处理器  292
12.4　高速缓存一致性  295
12.4.1　直接写协议  295
12.4.2　写回协议  296
12.4.3　监听高速缓存  296
12.4.4　基于目录的高速缓存一致性  297
12.5　消息传递多计算机  298
12.6　多处理器并行编程  298
12.7　性能建模  300
12.8　结束语  301
习题  301
参考文献  302
附录A　逻辑电路  303
附录B　Altera Nios II处理器  344
附录C　ColdFire处理器  371
附录D　ARM处理器  397
附录E　Intel IA-32体系结构  431
索引  461