計算機組成：英文版

Chapter I                  
 BASIC STRUCTURE OF                  
 1.l ComputerTypes                  
 1.2 Functional Units                  
 l.2.I Input Unit                  
 l.2.2 Memory Unit                  
 1.2.3 Arithmetic and Logic Unit                  
 1.2.4 Output Unit                  
 1.2.5 Control Unit                  
 1.3 Basic Operational Concepts                  
 1.4 Bus Structures                  
 1.5 Software                  
 1.6 Performance                  
 1.6.I Processor Clock                  
 1.6.2 Basic Performance Equation                  
 1.6.3 Pipelining and Superscalar Operation                  
 1.6.4 Clock Rate                  
 l.6.5 Instruction Set CISC and RISC                  
 1.6.6 Compiler                  
 1.6.7 Performance Measurement                  
 1.7 Multiprocessors and Multicomputers                  
 l.8 Historical                  
 1.8.I The First Generation                  
 l.8.2 The Second Generation                  
 l.8.3 The Third Generation                  
 l.8.4 The Fourth Generation                  
 1.8.5 Beyond the Fourth Generation                  
 l.8.6 Evolution of Performance                  
 1.9 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 Chapter 2                  
 MACHINE INSTRUCTIONS AND                  
 2.1 Numbers, Arithmetic Operations, and Characters                       
 2.I.1 Number Representation                  
 2.1.2 Addition of Positive Numbers                  
 2.1.3 Addition and Subtraction of Signed Numbers                  
 2.l.4 Overflow in Integer Arithmetic                  
 2.1.5 Characters                  
 2.2 Memory Locations and Addresses                  
 2.2.l Byte                  
 2.2.2 Big-endian and Little-endian Assignments                  
 2.2.3 Word Alignment                  
 2.2.4 Accssing Numbers Character Strings                  
 2.3 Memory Operations                  
 2.4 Instructions and Instruction Sequencing                  
 2.4.I Register Transfer Notation                  
 2.4.2 Assembly Language Notation                  
 2.4.3 Basic Instruction Types                  
 2.4.4 lnstruction Execution and Straight-Line Sequencing                  
 2.4.5 Branching                  
 2.4.6 Condition Codes                  
 2.4.7 Generating Memory Addresses                  
 2.5 Addressing Modes                  
 2.5.l Implementation of Variables and Constants                  
 2.5.2 Indirection and Pointers                  
 2.5.3 Indexing and Arrays                  
 2.5.4 Relalive Addressing                  
 2.5.5 Additional Modes                  
 2.6 Assembly Language                  
 2.6.I Assembler Directives                  
 2.6.2 Assembly and Execution of Programs                  
 2.6.3 Number Notation                  
 2.7 Basic Input/Output Operations                  
 2.8 Stacks and Queues                  
 2.9 Subroutines                  
 2.9.I Subroutine Nesting and the Processor Stack                  
 2.9.2 Parameter Passing                  
 2.9.3 The Stack Frame                  
 2. 10 Additional Instructions                  
 2.l0.l Logic Instructions                  
 2.10.2 Shift and Rotate Instructions                  
 2.10.3 Multiplication and Division                  
 2.11 Example Programs                  
 2.11.l Vector Dot Product Program                  
 2.11.2 Byte-Sorting Program                  
 2.11.3 Linked Lists                  
 2.12 Encoding of Machine Instructions                  
 2.13 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 Chapter 3                  
 ARM MOTOROLA, AND INTEL                  
 INSTRUCTIONSETS                  
 Part I TheARM Example                  
 3.l Registers, Memory Access, and Data Transfer                  
 3.l.l Register Structure                  
 3.l.2 Memory Access lnstructions and Addressing Modes                  
 3.l.3 Register Move Instructions                  
 3.2 Arithetic and Logic Instructions                  
 3.2.l Arithmetic Instructions                  
 3.2.2 Logic Instructions                  
 3.3 Branch Instructions                  
 3.3.l Setting Condition Codes                  
 3.3.2 A Loop Program for Adding Numbers                  
 3.4 Assembly Language                  
 3.4.l Pseudo-Instructions                  
 3.5 I/O Operations                  
 3.6 Subroutines                  
 3.7 Program Examples                  
 3.7.l Vector Dot Product Program                  
 3.7.2 Byte-Sorting Program                  
 3.7.3 Linked-List Insertion and Deletion Subroutines                  
 PartII  The 68000 Example                  
 3.8 Registers and Addressing                  
 3.8.l The 68OOO Register Structure                  
 3.8.2 Addressing                  
 3.9 Instructions                  
 3.IO Assembly Language                  
 3.ll Program Flow Control                  
 3.Il.l Condition Code Flags                  
 3.Il.2 Branch Instructions                  
 3.12 I/O Operations                  
 3.13 Stacks and Subroutines                  
 3.14 Logic Instructions                  
 3.15 Program Examples                  
 3.15.I Vector Dot Product Program                  
 3.15.2 Byte-Sorting Program                  
 3.15.3 Linked-List Insertion and Deletion Subroutines                  
 PartIII The IA-32 Pentium Example                  
 3.16 Registen and Addressing                  
 3.16.l IA-32 Register Structure                  
 3.16.2 IA-32 Addressing Modes                  
 3.17 IA-32 Instructions                  
 3.17.l Machine Instruction Format                  
 3.I8 IA-32 Assembly Language                  
 3.19 Program Flow Control                  
 3.19.l Conditional Jumps and Condition Code Flags                  
 3.19.2 Unconditional Jump                  
 3.20 Logic and Shift/Rotate Instructions                  
 3.20.l Logic Operations                  
 3.20.2 Shift and Rotate Operalions                  
 3.21 I/O Operations                  
 3.21.l Memory-MappedI/O                  
 3.21.2 Isolated I/O                  
 3.21.3 BlockTransfers                  
 3.22 Subroutines                  
 3.23 Other instructions                  
 3.23.l Multiply and Divide Instructions                  
 3.23.2 Multimedia Extension (MMX) Instructions                  
 3.23.3 Vector(SIMD) Instructions                  
 3.24 Program Examples                  
 3.24.l Vector Dot Product Rogram                  
 3.24.2 Byte-Sorting Program                  
 3.24.3 Linked-List Insertion and Deletion Subroutines                  
 3.25 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 Chapter 4                  
 INPUT                  
 4.l Accessing I/O Devices                  
 4.2 Interrupts                  
 4.2.l Interrupt Hardware                  
 4.2.2 Enabling and Disabling Interrupts                  
 4.2.3 Handling Multiple Devices                  
 4.2.4 Controlling Device Reqaests                  
 4.2.5 Exceptions                  
 4.2.6 Use of Interrupts in Operaling Systems                  
 4.3 Processor Examples                  
 4.3.l ARM Interrupt Structure                  
 4.3.2 68000 Interrupt Structure                  
 4.3.3 Pentium Interrupt Structure                  
 4.4 Direct Memory Access                  
 4.4.1 Bus Arbitration                  
 4.5 Buses                  
 4.5.l Synchronous Bus                  
 4.5.2 Asynchronous Bus                  
 4.5.3 Discussion                  
 4.6 Interface Circuits                  
 4.6.l Parallel Port                  
 4.6.2 Serial Port                  
 4.7 Standard I/O Interfaces                  
 4.7.l Peripheral Component Interconnect (PCD) Bus                  
 4.7.2 SCSI Bus                  
 4.7.3 Universal Serial Bus (USB)                  
 4.8 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 Chapler 5                  
 THE MEMORYSYSTEM                  
 5.l Some Basic Concepts                  
 5.2 Semiconductor RAM Memories                  
 5.2.l Internal Organization of Memory Chips                  
 5.2.2 Static Memories                  
 5.2.3 Asynchronous Drams                  
 5.2.4 Synchronous DRAMs                  
 5.2.5 Structure of Larger Memones                  
 5.2.6 Memory System Considerations                  
 5.2.7 Rambus Memory                  
 5.3 Read-Only Memories                  
 5.3.l ROM                  
 5.3.2 PROM                  
 5.3.3 EPROM                  
 5.3.4 EEPROM                  
 5.3.5 Flash Memory                  
 5.4 Speed, Size. and Cost                  
 5.5 Cache Memories                  
 5.5.l Mapping Functions                  
 5.5.2 Replacement Algorithms                  
 5.5.3 Example of Mapping Techniques                  
 5.5.4 Examples of Caches in Commercial Processors                  
 5.6 Performance Considerations                  
 5.6.1 Interleaving                  
 5.6.2 Hit Rate and Miss Penalty                  
 5.6.3 Caches on the Processor Chip                  
 5.6.4 Other Enhancements                  
 5.7 Virual Memories                  
 5.7.l Address Translation                  
 5.8 Memory Management Requilements                  
 5.9 Secondary Storage                  
 5.9.l Magnetic Hard Disks                  
 5.9.2 Optical Disks                  
 5.9.3 Magnetic Tape Systems                  
 5.IO Concluding Remarks Problems                  
 References                  
 Chapter 6                  
 6. l Addition and Subtraction of Signed Numbers                  
 6. l .l Addition/Subtraction Logic Unit                  
 6.2 Design of Fast Adders                  
 6.2.l Carry-Lookahead Addition                  
 6.3 Multiplicalion of Positive Numbers                  
 6.4 Signed-Opeand Multiplication                  
 6.4.l Booth Algorithm                  
 6.5 Fast Multiplication                  
 6.5.l Bit-Palr Recoding of Multipliers                  
 6.5.2 Carry-Save Addition of Summands                  
 6.6 Integer Division                  
 6.7 Floating-Point Numbers and Opeations                  
 6.7.l IEEE Standard for Floating-Point Numbers                  
 6.7.2 Arithmetic Opeations on Floating-Point Numbers                  
 6.7.3 Guard Bits and Truncation                  
 6.7.4 Implementing Roating-Point Operations                  
 6.8 Coocluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 Chapter 7                  
 BASIC PROCESSING UNIT                  
 7.l Some Fundamental Concepts                  
 7.l.1 Register Transfers                  
 7.l.2 Performing an Arithmetic or Logic Operatian                  
 7.l.3 Fetching a Word from Memory                  
 7.1.4 Storing a Word in Memory                  
 7.2 Execution of a Complete Instruction                  
 7.2.1 Branch Instructions                  
 7.3 Multiple-Bus Organization                  
 7.4 Hardwired Control                  
 7.4.1 A Complete Processor                  
 7.5 Microprogrammed Control                  
 7.5.1 Microinstructions                  
 7.5.2 Microprogram Sequencing                  
 7.5.3 Wide-Branch Addressing                  
 7.5.4 Microinstructions with Next-Address Field                  
 7.5.5 Prefetching Microinstructions                  
 7.5.6 Emulation                  
 7.6 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 Chaprer 8                  
 8.1 Basic Concepts                  
 8.1.l Role of Cache Memory                  
 8.l.2 Pipeline Performance                  
 8.2 Data Hazards                  
 8.2. l Operand Forwarding                  
 8.2.2 Handling Data Hazards in Software                  
 8.2.3 Side Effects                  
 8.3 1nstruction Hazards                  
 8.3.1 Unconditional Branches                  
 8.3.2 Condilional Branches and Branch Prediction                  
 8.4 Influence on Instruction Sets                  
 S.4.1 Addressing Modes                  
 8.4.2 Condition Codes                  
 8.5 Datapath and Control Considerations                  
 8.6 Superscalar Operation                  
 8.6.l Out-of-Order Execution                  
 8.6.2 Execution Completion                  
 8.6.3 Dispatch Operation                  
 8.7 UItraSPARC II EXAMPLE                  
 8.7.l SPARC Architecture                  
 8.7.2 UltraSPAXC II                  
 8.7.3 Pipeline Structure                  
 8.8 Performance Considerations                  
 8.8.l Effect of Instruction Hazards                  
 8.8.2 Number of Pipeline Stages                  
 8.9 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 Reference                  
 Chapter 9                  
 EMBEDDED SYSTEMS                  
 9.l Examples of Embedded Systems                  
 9.1.l Microwave Oven                  
 9.l.2 Digital Camera                  
 9.1.3 Home Telemetry                  
 9.2 Processor Chips for Embedded Applications                  
 9.3 A Simple Microcontroller                  
 9.3.l Parallel I/O Ports                  
 9.3.2 Serial I/O Interface                  
 9.3.3 Counter/Timer                  
 9.3.4 Interrupt Control Mechanism                  
 9.4 Programming Considerations                  
 9.4.l Polling Approach                  
 9.4.2 Interrupt  Approach                  
 9.5 I/O Device Timing Constraints                  
 9.5.l C Program for  Transfer via a Circular Buffer                  
 9.5.2 Assembly Language Program for Transfer via a Circular Buffer                  
 9.6 Reaction Timer-An Example                  
 9.6.l C Program for the Reaction Timer                  
 9.6.2 Assembly Language Program for the Reaction Timer                  
 9.6.3 Final Comments                  
 9.7 Embedded Processor Families                  
 9.7.1 Microcontrollers Based on the Intel 8051                  
 9.7.2 Motorola Microcontrollers                  
 9.7.3 ARM Microcontrollers                  
 9.8 DesignIssues                  
 9.9 System-on-a-Chip                  
 9.9. I FPGA Implementation                  
 9.IO Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 Chaprer l0                  
 l0. 1 Input Devices                  
 l0.1.l Keyboard                  
 l0.l.2 Mouse                  
 l0.l.3 Trackball. Joystick_ and                  
 l0 uchpad                  
 l0.l.4 Scanners                  
 l0.2 Output Devices                  
 l0.2.l Video Displays                  
 l0.2.2 Flat-Panel Displays                  
 l0.2.3 Printers                  
 l0.2.4 Graphics Accelerators                  
 l0.3 Serial Communication Links                  
 l0.3.l Asynchronous Transmission                  
 l0.3.2 Synchronous Transmission                  
 l0.3.3 Standard Communications Interfaces                  
 l0.4 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 Chapter 11                  
 PROCESSORFAMILIES                  
 ll.l The ARM Family                  
 ll.I.l The Thumb lustruction Set                  
 ll.l.2 Processor and CPU Cores                  
 ll.2 The Motorola 680XO and CoIdFire Families                  
 ll.2.l 68020 Processor                  
 ll.2.2 Enhancements in 68030 and 6804O Processors                  
 ll.2.3 68060 Processor                  
 ll.2.4 The ColdFire Family                  
 ll.3 The Intel IA-32 Family                  
 ll.3.l IA-32 Memory Segmentation                  
 ll.3.2 Sixteen-BitMode                  
 ll.3.3 80386and 80486 Processors                  
 ll.3.4 Pentium Processor                  
 ll.3.5 Pentium Pro Processor                  
 ll.3.6 Pentium II and III Processors                  
 ll.3.7 Pentium4Processor                  
 ll.3.8 Advanced Micro Devices IA-32 Processors                  
 11.4 The PowerPC Family                  
 11.4.l RegisterSet                  
 11.4.2 Memory Addressing Modes                  
 11.4.3 Instructions                  
 11.4.4 PowerPC Processon                  
 11.5 The Sun Microsystems SPARC Family                  
 11.6 The Compaq Alpha Family                  
 11.6.l Instruction and Addressing Mode Formats                  
 11.6.2 Alpha 21064 Processor                  
 11.6.3 Alpha 21164 Processor                  
 11.6.4 Alpha 21264 Processor                  
 11.7 The Intel IA-64 Family                  
 11.7.I InastructionBundles                  
 11.7.2 Conditional Execution                  
 ll.7.3 Speculalive Loads                  
 l1.7.4 Registers and the Register Stack                  
 11.7.5 ItaniumProcessor                  
 11.8 A Stack Processor                  
 11.8.1 Stack Structure                  
 11.8.2 Stack Instructions                  
 11.8.3 Hardware Registers in the Stack                  
 11.9 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 Chapter 12                  
 LARGE                  
 12.l Forms of Parallel Processing                  
 12.l.l Classification of Parallel Structures                  
 12.2 Array                  
 12.3 The Structure of General-Purpose Multiprocessors                  
 12.4 Bltaeomection Newolb                  
 12.4.l SingleBus                  
 12.4.2 Crossbar Networks                  
 12.4.3 Multistage Networks                  
 12.4.4 Hypercube Networks                  
 12.4.5 MeshNetworks                  
 12.4.6 TreeNetworks                  
 12.4.7 RingNetworks                  
 12.4.8 Practical                  
 12.4.9 Mixed Topology Networks                  
 12.4.10 Symmetric Multiprocessors                  
 l2.5 Memory Organization in Multiprocessors                  
 12.6 Program Parallelism and Shared Variables                  
 12.6.l Accessing Shared Variables                  
 12.6.2 Cache Cnherence                  
 12.6.3 Need for Locking and Cache Coherence                  
 12.7 Multicomputers                  
 12.7.l Local Area Networks                  
 12.7.2 Ethernet (CSMA/CD) Bus                  
 12.7.3 TokenRing                  
 12.7.4 Network of Workstations                  
 12.8 Programmer's View of Shared Memory and Message Passing                  
 12.8.l SharedMemoryCase                  
 12.8.2 Message-Passing Case                  
 12.9 Performance Considerations                  
 12.9.l Amdahl'sLaw                  
 12.9.2 Performance Indicators                  
 12.IO Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 APPENDIX A: LOGIC CIRCUITS                  
 A.l Basic Logic Functions                  
 A. l .l EIectronic Logic Gates                  
 A.2 Synthesis ofLogic Functions                  
 A.3 Minimization of Logic Expressions                  
 A.3.l Minimization Using Karnaugh Maps                  
 A.3.2 Don't-Cale Conditions                  
 A.4 Synthesis with NAND and NOR Gates                  
 A.5 Practical Implementation of Logic Gates                  
 A.5.l CMOS Circuits                  
 A.5.2 Propagation Delay                  
 A.5.3 Fan-In and Fan-Out Constraints                  
 A.5.4 Tri-state Buffers                  
 A.5.5 Integrated Circuit Packages                  
 A.6 Flip-Flops                  
 A.6. l Gated Latches                  
 A.6.2 Master-Slave Flip-Flop                  
 A.6.3 Edge Triggering                  
 A.6.4 T Flip-Flop                  
 A.6.5 JK Flip-Flop                  
 A.6.6 Flip-Flops with Reset and Clear                  
 A.7 Registers and Shift Registers                  
 A.8 Counters                  
 A.9 Decoders                  
 A.IO Multiplexers                  
 A.Il Programmable Logic Devices pLDs)                  
 A.Il.l Progammable Logic Array(PLA)                  
 A.ll.2 Programmable Array Logic(PAI.)                  
 A.II.3 Complex Programmable Logic Devices(CPLDs)                  
 A. 12 Field-Programmable Gate Arrays                  
 A. 13 Seqnential Circuits                  
 A.13.I An Example of an Up/Down Counter                  
 A.13.2 Timing Diagrams                  
 A.13.3 The Finite State Machine Model                  
 A.13.4 Synthesis of Finite State Machines                  
 A.14 Concluding Remarks                  
 Problems                  
 References                  
 SET                  
 B.l Instruction Encoding                  
 B.I.l Arithmetic and Logic Instructions                  
 B. l .2 Memary Load and Store Instructions                  
 B.l.3 Block Load and Store Instructions                  
 B.l.4 Branch and Branch with Link Instructions                  
 B. l .5 Machine Control Instructions                  
 B.2 Other ARM Instructions                  
 B.2.l Coprocessor Instructions                  
 B.2.2 Versions v4 and v5 Instructions                  
 B.3 Programming Experiments                  
 INSTRUCTION  SET                  
 APPENDIX D: INTELIA-32                  
 INSTRUCTION  SET                  
 D.l Instruction Encoding                  
 D.l.l Addressing Modes                  
 D.2 Basic Instructions                  
 D.2.I Conditional Jump Instructions                  
 D.2.2 Unconditional Jump Instructions                  
 D.3 PrefixBytes                  
 D.4 Other Insutructions                  
 D.4.l String Instructions                  
 D.4.2 Floating-Point. MMX, and SSE Instructions                  
 D.5 Sixteen-Bit Operation                  
 D.6 Programming Experiments NUMBER                  
 E.l Character, Codes                  
 E.2 Decimal-to-Binary Conversion                  
 INDEX