计算机组成原理:基于MIPS结构

第1章 计算机系统概述 1 1.1 计算机系统的组成 1 1.1.1 计算机的基本概念 1 1.1.2 冯·诺依曼结构计算机 2 1.2 计算机的工作过程 4 1.3 计算机的性能指标 5 1.4 计算机系统的体系结构 7 1.4.1 计算机层次结构的划分 7 1.4.2 计算机体系各层次的特点 8 1.5 计算机的发展 10 1.5.1 计算机的发展历程 10 1.5.2 计算机的分类 11 1.5.3 计算机的应用 12 1.5.4 计算机展望 13 1.6 MIPS架构计算机 14 1.6.1 MIPS概述 14 1.6.2 MIPS机器的体系结构 16 习题 17 第2章 运算方法和运算器 18 2.1 数据的表示方法 18 2.1.1 C语言中基本数据类型的存储 18 2.1.2 定点数的表示 20 2.1.3 浮点数的表示 28 2.1.4 非数值数据的表示 31 2.2 定点数的加减运算 35 2.2.1 补码加法运算 35 2.2.2 补码减法运算 38 2.2.3 补码加减法硬件配置 39 2.2.4 MIPS中的加减法 39 2.3 定点数乘法运算 40 2.3.1 笔算乘法分析与改进 40 2.3.2 原码乘法 41 2.3.3 补码乘法 43 2.3.4 阵列乘法器 47 2.3.5 MIPS中的乘法 48 2.4 定点数除法运算 48 2.4.1 定点数除法运算分析 48 2.4.2 原码除法 49 2.4.3 补码除法 53 2.4.4 阵列除法器 56 2.4.5 MIPS中的除法 57 2.5 浮点数的运算 57 2.5.1 浮点加减运算 58 2.5.2 浮点乘除运算 61 2.5.3 浮点运算器 64 2.5.4 MIPS中的浮点运算 65 习题 66 第3章 存储系统 68 3.1 概述 68 3.1.1 存储器的分类 68 3.1.2 主存储器的性能指标 70 3.1.3 存储器的体系结构 71 3.1.4 数据的地址与数据的存储顺序 72 3.2 主存储器的内部结构 73 3.2.1 存储芯片的内部结构 73 3.2.2 半导体存储芯片的译码驱动方式 74 3.2.3 主存储器与CPU的连接 75 3.3 随机访问存储器RAM 75 3.3.1 SRAM的工作原理 76 3.3.2 DRAM的工作原理 79 3.4 只读存储器ROM 84 3.4.1 掩膜型只读存储器MROM 84 3.4.2 可编程一次的只读存储器PROM 85 3.4.3 紫外线可擦除可编程只读存储器EPROM 85 3.4.4 电可擦除可编程只读存储器EEPROM 86 3.4.5 闪存FLASH 87 3.5 半导体存储器扩展 88 3.5.1 位扩展 88 3.5.2 字扩展 89 3.5.3 存储器扩展举例 90 3.6 高速存储器 93 3.6.1 双端口存储器 93 3.6.2 单体多字存储器 95 3.6.3 多体交叉存储器 96 3.6.4 相联存储器 98 3.7 高速缓冲存储器 100 3.7.1 Cache工作原理 100 3.7.2 Cache-主存地址映射和变换 103 3.7.3 Cache 替换策略 111 3.7.4 Cache与主存的一致性 114 3.7.5 MIPS中的高速缓存 114 习题 115 第4章 总线技术 119 4.1 总线概述 119 4.1.1 总线分类 119 4.1.2 总线性能指标 121 4.1.3 总线设计规范 121 4.2 系统总线结构 122 4.2.1 单总线结构 122 4.2.2 双总线结构 123 4.2.3 多总线结构 123 4.3 总线仲裁 124 4.4 总线的通信方式 127 4.5 总线的信息传送 131 4.6 总线标准简介 133 4.6.1 ISA总线 133 4.6.2 EISA总线 134 4.6.3 VESA局部总线 135 4.6.4 PCI总线 136 4.6.5 USB串行总线 139 习题 141 第5章 指令系统 143 5.1 指令系统概述 143 5.2 指令的格式 144 5.2.1 指令的基本格式 144 5.2.2 指令的操作码格式 144 5.2.3 指令的地址码格式 146 5.3 寻址方式 147 5.3.1 指令寻址 147 5.3.2 数据寻址 148 5.4 指令的分类 153 5.5 MIPS 32指令简介 156 5.5.1 MIPS中的寄存器组 156 5.5.2 MIPS的指令格式 159 5.5.3 MIPS的寻址方式 161 5.6 常用MIPS汇编指令 162 5.6.1 数据传送类指令 162 5.6.2 算术运算和逻辑运算指令 165 5.6.3 移位类指令 166 5.6.4 程序控制类指令 168 5.7 MIPS指令与C语言程序的关系 169 5.7.1 实现C语言简单变量的运算 169 5.7.2 实现C语言中的数组访问 170 5.7.3 实现C语言中的分支程序 170 5.7.4 实现C语言中的循环程序 173 5.7.5 实现子程序调用 176 习题 179 第6章 中央处理器 182 6.1 处理器概述 182 6.1.1 CPU功能 182 6.1.2 CPU的内部结构 183 6.1.3 CPU的指令周期 186 6.1.4 指令执行流程 187 6.2 MIPS模型机的基本构成 189 6.2.1 模型机的基本结构 189 6.2.2 模型机主要功能部件 190 6.3 建立模型机的数据通路 199 6.4 控制器的实现 216 6.4.1 组合逻辑控制器 217 6.4.2 微程序控制器 221 6.4.3 Verilog HDL实现控制器 224 6.4.4 指令周期与CPU执行时间 227 6.5 多周期CPU 230 6.5.1 指令周期的分配 230 6.5.2 多周期的数据通路 230 6.5.3 状态机的建立 233 6.5.4 多周期控制器的实现 239 6.6 流水线CPU 241 6.6.1 流水线原理 241 6.6.2 MIPS的流水线 244 6.6.3 影响流水线性能的因素 246 6.6.4 流水线的多发技术 255 习题 257 第7章 输入/输出系统 261 7.1 概述 261 7.1.1 输入/输出系统的功能 261 7.1.2 输入/输出系统的组成 261 7.1.3 外围设备与主机的连接方式 263 7.1.4 主机与I/O设备间信息传送的控制方式 264 7.2 I/O接口 265 7.2.1 I/O接口的功能 265 7.2.2 I/O接口的基本结构 266 7.2.3 接口的编址方式 267 7.2.4 I/O接口的分类 268 7.2.5 MIPS机中I/O编址与访问 269 7.3 直接程序控制 270 7.3.1 程序查询方式的处理过程 271 7.3.2 程序查询方式的接口 271 7.4 程序中断控制 272 7.4.1 中断的基本概念 273 7.4.2 中断的完整过程 275 7.4.3 中断方式接口 282 7.4.4 多级中断技术 283 7.4.5 MIPS机中的中断机制 290 7.5 DMA技术 294 7.5.1 DMA方式概述 294 7.5.2 DMA控制器的基本结构 296 7.5.3 DMA的工作过程 298 7.5.4 DMA控制器的类型 300 7.6 通道 302 7.6.1 通道概述 302 7.6.2 通道基本结构和工作过程 304 7.6.3 通道的类型 306 习题 309 参考文献 312